Thiết kế tủ điều khiển khởi động và hãm dừng động cơ điện một chiều qua điện trở phụ có ứng dụng PLC

Thiết kế tủ điều khiển khởi động và hãm dừng động cơ điện một chiều qua điện trở phụ có ứng dụng PLC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, ngày 28 tháng 02 năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

Ths Nguyễn Trung Thành

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hưng Yên, ngày 28 tháng 02 năm 2014 Giáo viên phản biện

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện, đến nay chúng em đã hoàn thành đồ

án tốt nghiệp đề tài: “Thiết kế tủ điều khiển khởi động và hãm dừng động cơ điện một

chiều qua điện trở phụ có ứng dụng PLC” do giảng viên – Ths Nguyễn Trung

Thành hướng dẫn đã được hoàn thiện Trong suốt thời gian nghiên cứu và thi công đề

tài, chúng em đã gặp không ít vướng mắc nhất định và đã nhận được nhiều sự giúp đỡnhiệt thành và quý báu

Để hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp đầu tiên cho phép chúng em xin được bày tỏlòng biết ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử - Trường ĐH SPKT HưngYên đã truyền thụ những kiến thức quý báu và bổ ích trong thời gian học tập tạitrường, để giúp chúng em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp và nền tảng kiến thứcchuyên môn vững chắc sau khi tốt nghiệp

Nhóm sinh viên thực hiện xin được trân trọng cảm ơn Ths.Nguyễn Trung Thành

- thầy đã luôn tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, cung cấp tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận

lợi cho nhóm trong suốt quá trình nghiên cứu tìm hiểu và xây dựng đồ án tốt nghiệpnày Chúng em xin được trân trọng gửi lời cảm ơn tới cô giáo ………Cô làgiáo chủ nhiệm của chúng em trong suốt 2 năm học đại học, là người đã dìu dắt chúng

em từ những bước chân đầu tiên bước vào trường ĐH SPKT Hưng Yên

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của những người bạn, người thân, chúng con xinđược cảm ơn bố mẹ, anh chị đã luôn động viên chúng con trong suốt thời gian học tậpcũng như xây dựng đồ án này

Xin được gửi tới lời cảm ơn sâu sắc nhất!

Hưng Yên , Tháng 02 / 2014

Nhóm sinh viên thực hiện

DANH MỤC HÌNH VẼ

1 Hình 1.1: Cấu tạo chung của động cơ điện một chiều

2 Hình 1.2: Sơ đồ cắt dọc và ngang của động cơ điện một chiều

3 Hình 1.3: Đây là phần đứng yên của máy

4 Hình 1.4: Đây là cực từ chính của động cơ

5 Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo của rôto

6 Hinh 1.6: Đây là lõi sắt của động cơ

7 Hình 1.7: Dây quấn phần ứng

8 Hình 1.8: Cổ góp và phiến góp của động cơ điện một chiều

9 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều

10 Hình 1.10: Đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo

11 Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập

12 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ song song

13 Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp

14 Hình 1.14: a) Sơ đồ khối b) Sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập

15 Hình 1.15: Xác định phạm vi điều khiển

16 Hình 1.16: Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các

loại tải khác nhau

17 Hình 1.17: a) Sơ đồ thay thế b) Đặc tính điều chỉnh khi từ thông

20 Hình 1.20: Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập

khi đảo chiều từ thông hoặc khi đảo chiều dòng điện phần ứng

21 Hình 1.21: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

khi đảo chiều quay

22 Hình 1.22: Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là

dòng kích từ ) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

23 Hình 1.23: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

24 Hình 1.24: Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc tính cơ

động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

25 Hình 3.9: Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

qua 2 cấp điện trở phụ

26 Hình 3.10: Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

27 Hình 3.11: Đặc tính cơ hãm tái sinh động cơ điện một chiều kích

từ độc lập

28 Hình 3.12: Đặc tính hãm tái sinh khi hạ tải trọng của động cơ điện

một chiều kích từ nối tiếp

29 Hình 3.13: Đặc tính cơ hãm ngược trường hợp đưa điện trở phụ vào

36 Hình 2.4: Modul Input/Output Digital của S7 – 300

37 Hình 2.5: Modul Input/Output Analog của S7 – 300

38 Hình 2.6: Chu kỳ quét của PLC S7 - 300

39 Hình 2.7: Phương pháp lập trình tuyến tính

40 Hình 2.8: Chương trình điều khiển có cấu trúc

41 Hình 2.9: Phương pháp biểu diễn chương trình bằng STL

42 Hình 2.10: Phương pháp biểu diễn chương trình bằng FBD

43 Hình 2.11: Phương pháp LAD

44 Hình 2.12: Giao diện ngôn ngữ S7-Graph

45 Hình 2.13: Đọc mã tín hiệu của hàm thời gian PLC S7-300

46 Hình 2.14: Tín hiệu đầu vào/ra của bộ thời gian

47 Hình 2.15: Cấu trúc bộ đếm

48 Hình 4.1 Đặc tính khởi động của động cơ điện một chiều

49 Hình 4.2: Sơ đồ đấu nối mạch động lực

50 Hình 4.3: Sơ đồ kết nối PLC với thiết bị ngoại vi

51 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí của tủ điều khiển động cơ điện một chiều

52 Hình 4.5: Mặt tủ điều khiển hệ thống

53 Hình 4.6: Panel mạch ngoại vi kết nối PLC

54 Hình 4.7: Mạch kết nối ngoại vi của PLC S7-300

55 Hình 4.8: Hệ thống contactor điều khiển động cơ

MỞ ĐẦU

Từ khi công nghiệp ra đời, con người đã được giải phóng khỏi lao động chântay rất nhiều Bên cạnh đó, sản phẩm làm ra được tăng lên đáng kể về số lượng và chấtlượng được ổn định Tuy nhiên, cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹthuật, tự động hóa trong công nghiệp ra đời Đây chính là một bước ngoặt lớn thứ haitrong nền sản xuất hàng hóa của con người Con người giờ đây thật sự được giải phóngkhỏi lao động chân tay hay những lao động trong các môi trường độc hại

Khi điện tử ra đời thì tự động hóa trong công nghiệp ngày càng được hoàn thiệnhơn Cho đến nay thì sản xuất công nghiệp không chỉ ở mức tự động hóa cao mà nócòn được điều khiển, giám sát từ xa thông qua máy tính và các phần mềm giao tiếpngười máy Tuy nhiên, ở một quốc gia còn khó khăn như chúng ta thì việc trang bị các

hệ thống hoàn chỉnh như vậy vẫn còn chưa mang tính khả thi cao Nguyên nhân chủyếu là do chi phí đầu tư quá cao

Tự động hóa quá trình sản xuất ngày càng có một vị trí quan trọng trong sảnxuất và đời sống Đặc biệt do sự phát triển của kỹ thuật điện tử, tin học cùng với sự lớn

mạnh của điều khiển tự động đã tạo ra nhiều sản phẩm thiết bị hữu ích trong việc giảiquyết các vấn đề điều khiển Nhưng lớn mạnh hơn cả và chỗ đứng vững chắc trongcông nghiệp phải kế đến các bộ điều khiển logic có thể lập trình được được gọi tắt làPLC (Programmable logic controller) Với những thế mạnh như:

- Kích thước nhỏ gọn, giá thành hạ so với mạch điều khiển dùng rơle

- Khả năng chống nhiễu tốt, độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp

- Cấu trúc dạng modul cho phép dễ dàng sửa chữa và bảo trì, tăng khả năng sửdụng thêm các khối modul mở rộng đầu vào ra cũng như các khối chuyên dụng

- Sử dụng ngôn ngữ lập trình chuyên dùng nên lập trình nhanh và dễ dàng thayđổi chương trình

Là những sinh viên theo học chuyên ngành Điện tự động hóa cùng những nhucầu, ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà chúng em muốn đượcnghiên cứu và tìm hiểu những thành tựu khoa học mới để có nhiều cơ hội biết thêm vềkiến thức thực tế, củng cố kiến thức đã học, phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệphóa hiện đại hóa.Vì vậy sau khi tham khảo và tìm hiểu về công nghệ Mở máy động cơđiện một chiều qua hai cấp điện trở và hãm dừng dùng PLC S7-300, nhóm chúng em

đã đề xuất ý tưởng và dưới sự ủng hộ và hướng dẫn của Ths Nguyễn Trung Thànhnhóm chúng em đã được giao nghiên cứu và hoàn thành đề tài Thiết kế tủ điều khiểnkhởi động và hãm dừng động cơ điện một chiều qua điện trở phụ có ứng dụng PLC

Sau khi nghiên cứu thì nhóm chúng em đã quyết định thực hiện ý tưởng thiết kế

mô hình hệ thống cấp và phân loại sản phẩm gồm có:

- Tủ điều khiển động cơ một chiều khởi động qua 2 cấp điện trở và có hãm lúcđảo chiều gồm: hệ thống đèn báo trạng thái hoạt động, nút ấn điều khiển

- Panel đầu vào/ra cho PLC S7-300 từ tủ điều khiển

- Panel điện trở bao gồm: Điện trở khởi động và điện trở hãm

Bản thuyết minh của chúng em gồm những nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều

Chương 2: Tổng quan về bộ điều khiển PLC S7-300

Chương 3: Thiết kế tủ điều khiển

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

 Mục đích nghiên cứu của đồ án :

Mục đích của việc xây dựng mô hình Điều khiển khởi động động cơ điện một chiềuqua 2 cấp điện trở và hãm dừng bằng điện trở nhằm ứng dụng rất nhiều ra ngoài thực

tế như:

- Tự động hóa quá trình điều khiển khởi động và hãm dừng động cơ điện mộtchiều

- Kiểm soát và thay đổi được thời gian khởi động và hãm dừng động cơ

- Tủ điều khiển có hệ thống đèn thông báo trạng thái làm việc của động cơ

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Đối tượng mà đề tài hướng tới và cần hoàn thành bao gồm:

- Hệ thống điều khiển khởi động và hãm dừng động cơ điện một chiều qua điệntrở phụ dùng PLC S7 – 300

- Sử dụng thành thạo phần mềm Step 7 để lập trình điều khiển hệ thống bằngPLC S7 – 300 CPU 313C

 Nội dung chính của đồ án:

- Thiết kế và thi công hệ thống tủ điều khiển

- Thiết kế và thi công hệ thống Panel đầu vào/ra kết nối PLC

- Thi công mạch điện trở khởi động và hãm dừng động cơ

- Kết nối hệ thống với bộ PLC S7 – 300 CPU313C và điều khiển đúng theo quytrình công nghệ

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Khái niệm chung.

1.1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều.

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong hệđiều chỉnh tự động truyền động điện , nó được sử dụng rộng trong hệ thống đòi hỏi có

độ chính xác cao vùng điều chỉnh rộng và quy luật điều chỉnh phức tạp Cùng với sựtiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chứng kiến sự phát triển rầm rộ kể cả

về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại

Trong sự phát triển đó ta cũng có thể dễ dàng nhận ra và khẳng định rằng điệnnăng và máy tiêu thụ điện năng đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được Nó luôn

đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng làm mũi nhọn quyết định sự thành công của

cả một hệ thống sản xuất công nghiệp Không một quốc gia nào ,một nền sản xuất nàokhông sử dụng điện và máy điện

a Khái niệm

Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điện từ quay,làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng

điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vào dâydẫn) và làm dây dẫn chuyển động Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng.

b Cấu tạo

Gồm hai phần: - Phần đứng yên (gọi là phần tĩnh )

- Phần chuyển động (gọi là phần quay )

Hình 1.1: Cấu tạo chung của động cơ điện một chiều.

1.1.2 Ưu điểm của động cơ một chiều.

Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: Để sản xuất, để truyền tải , cả máyphát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vậnhành, mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổbiến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong côngnghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liêntục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ).Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thìgiá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phứctạp hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thểthiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máyphát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động

cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơkhông đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí cácthiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiềukhông những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điềukhiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao

Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% 85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85%  94% Công suất lớnnhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trămcho đến 1000v Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh

tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn

và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này

em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ điều chỉnhtốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập Phương pháp được chọn là

bộ băm xung đây có thể chưa là phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao nhấtnhưng nó được sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm mà ta sẽ phân tích

và đề cập sau này

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.

1.2.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phầnđộng

Hình 1.2: Sơ đồ cắt dọc và ngang của động cơ điện một chiều

a Phần tĩnh hay stato.

Hay còn gọi là phần kích từ động cơ,là bộ phận sinh ra từ trường Gồm có mạch

từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng namchâm điện)

- Mạch từ được làm bằng sắt từ

- Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện

từ (êmay).Các cuộn dây điện từ này được nối tiếp với nhau

Hình 1.3: Đây là phần đứng yên của máy.

Cực từ chính

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồngngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép

cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thépkhối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấnbằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành mộtkhối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặttrên các cực từ này được nối tiếp với nhau.

Hình 1.4: Đây là cực từ chính của động cơ.

Cực từ phụ.

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõithép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dâyquấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máynhờ những bulông

Gông từ.

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trongđộng cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớnthường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

Các bộ phận khác.

Bao gồm:

- Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn

và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn cótác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi thanbao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộpchổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thểquay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thìdùng vít cố định lại

b Phần quay hay rôto.

Bao gồm những bộ phận chính sau là

Phần sinh ra suất điện động có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩthuật ) xếp lại với nhau Trên mạch từ có rãnh để lồng dây quấn phần ứng (làm bằngdây điện từ )

Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một quy luật nhấtđịnh Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiếnđồng gọi là phiến góp

Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góphay vành góp

Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành

lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió đểkhi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ,giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gióthổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiếtkiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

Hinh 1.6: Đây là lõi sắt của động cơ.

Dây quấn phần ứng.

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạyqua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điệnnhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa

và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnhcủa lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặthoặc đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit

Hình 1.7: Dây quấn phần ứng.

Cổ góp.

Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiềuphiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm vàhợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặtlại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp nhô cao lênmột ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

Hình 1.8: Cổ góp và phiến góp của động cơ điện một chiều.

1.2.2.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Động cơ điện có hai nguồn năng lượng là

- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ

- Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp

của phần ứng

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng cóđiện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôtoquay Chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.Quy tắc bàn tay trái làđịnh hướng của lực do một từ trường tác động lên một đoạn mạch có dòng điệnchạyqua và đặt trong từ trường.Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào longbàn tay,chiều từ cổ tay dến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cáichoãi ra 900 chỉ chiều của lực điện từ.

Khi phần ứng quay được nửa vòng ,vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do cóphiếu góp nhiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay Các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiềucủa suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải ,ở động cơ chiếu sức điệnđộng Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động

Phương trình cân bằng điện áp

U = E ư + R ư I ư +I ư

dt di

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều.

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.

Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là quan hệ giữa tốc độ quay và mômenquay của động cơ:

Hình 1.10: Đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo.

1.4 Phân loại.

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta

phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loạiđộng cơ điện

Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi, mạch kích

từ được mắc song song với mạch phần ứng nên

I = Iư +It

Hình 1.12 : Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ song song.

1.5 Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều.

Đặc tính cơ n = f(M) của động cơ điện một chiều

n = 

e

C

E =





e

u u

C

R I U

u

CC

MR

 (1-2)Trong truyền động điện lực một vấn đề tương đối quan trọng đặt ra là phải phốihợp tốt đặc tính cơ của động cơ điện và đặc tính cơ của tải hoặc của máy công tác Tùytheo tính chất của truyền động có thể có những yêu cầu khác nhau đối với động cơđiện, ví dụ tốc độ không thay đổi hoặc thay đổi nhiều khi mômen cản thay đổi và đểthỏa mãn những yêu cầu đó cần phải dùng các loại động cơ điện khác nhau có đặc tính

cơ thích hợp

Sự phối hợp các đặc tính cơ của động cơ điện và tải còn phải sao cho luôn đảmbảo được tính ổn định công tác trong chế độ làm việc xác lập cũng như quá trình quá

độ, ví dụ như khi điều chỉnh tốc độ Để nghiên cứu điều kiện làm việc ổn định của hệtruyền động, thì M = f(n) của động cơ điện và Mc = f(n) của tải , ta thấy sự tăng tốc độngẫu nhiên nào đó (n = nlv + n) thì Mc>M và động cơ điện bị hãm lại để trở về tốc độban đầu nlv.

Cũng như vậy, khi xảy ra sự giảm tốc độ đột nhiên Mc< M động cơ điện đượcgia tốc và đạt tốc độ nlv Đây là trường hợp động cơ làm việc ổn định và từ đó ta thấyđiều kiện làm việc ổn định của động cơ như sau

Từ biểu thức (1-2) ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều

có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng từ thông ,điện trở phần ứng

Rư, và điện áp U

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông được áp dụng tươngđối phổ biến, có thể thay đổi tốc độ được liên tục và kinh tế Trong quá trình điềuchỉnh hiệu suất   Cte vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích cócông suất rất nhỏ so với công suất động cơ Cần chú ý rằng, bình thường động cơ làmviệc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (=max) nên chỉ có thể điều chỉnh theochiều hướng giảm từ thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức

và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp cũng chỉ cho phépđiều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện

áp định mức của động cơ điện Phương pháp này không gây thêm tổn hao trong động

cơ điện, nhưng đòi hỏi phải có nguồn riêng có điện áp điều chỉnh được

1.6 Các phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

1.6.1 Khái niệm chung.

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là rất quan trọng nó có thểgiúp ta dễ dàng chọn lựa phương phù hợp cho từng hệ thống riêng biệt

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn sovới loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu

trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnhcao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiềubao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơhoặc mạch kích từ động cơ Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn biến đổichính:

- Bộ biến đổi máy điện : Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặcmáy điện khuếch đại (KĐM)

- Bộ biến đổi điện từ: Khuyếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristo (CLT)

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: Tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:

- Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)

- Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐkĐ-Đ)

- Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)

- Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ)

- Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ)

Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơmột chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động)

và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”) Hệ điều chỉnh tự độngtruyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điềuchỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”

Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn được phânloại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồng thời tuỳthuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một gócphần tư, hai góc phần tư, và bốn góc phần tư

1.6.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông .

Nếu tăng điện trở rđc trên mạch kích từ ứng với các trị số khác nhau của điện trởkích thích ta có các đặc tính cơ tương ứng Các đường đó có tốc độ lớn hơn tốc độđịnh mức và có độ nghiêng khác nhau và sẽ giao nhau trên trục hoành tại điểm ứng với

dòng điện rất lớn Iư =

u

R U

Giao điểm của đường mômen cản của tải Mc = f(n) với các dường trên cho biếttốc độ xác lập ứng với các trị số khác nhau của từ thông.

Do điều kiện đổi chiều, các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc

độ quay bằng phương pháp này trong giới hạn 1 : 2

Cũng có thể sản xuất động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8 nhưngphải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và công nghệ chế tạophức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên

1.6.3 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng.

Nên nói thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng, thì biểu thức (1-5) trở thành:

n = n0

k

M)RR( u  f

Các đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của Rf = 0 là đặc tính cơ tự nhiên

Ta thấy rằng nếu Rf càng lớn thì tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi Cũng nhưtrên, giao điểm của những đường đó với những đường M0 = f(n) cho biết trị số tốc độxác lập khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ Rf

1.6.4 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp.

Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ điện một chiều kích từ độc

lập hoặc động cơ điện kích từ song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập Việc cungcấp điện áp có thể điều chỉnh được cho động cơ từ một nguồn độc lập được thực hiệntrong kỹ thuật bằng cách ghép thành tổ máy phát - động cơ

Uđm > U2 >U3 ứng với U4 > Uđm.Nói chung vì không cho phép vượt quá điện áp định mức nên việc điều chỉnh tốc

độ trên tốc độ định mức không được áp dụng hoặc chỉ được thực hiện trong phạm virất hẹp Đặc điểm của phương pháp này là điều chỉnh tốc độ, mômen không đổi vì từthông  và dòng điện phần ứng Iư đều không đổi Sở dĩ dòng điện phần ứng khôngđổi là vì khi giảm điện áp U, tốc độ n giảm làm sức điện động E cũng giảm nên

Iư

Ngày nay, tổ máy phát – động cơ thường dùng trong các máy cắt kim loại và máycán thép lớn để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặchơn nữa

1.6.5 Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nhưmáy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bịnguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện

động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so vớiđộng cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không.

Hình 1.14: a) Sơ đồ khối b) Sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập.

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

Eb - Eư = Iư(Rb +Rưđ)

u dm

ud b

dm

b

I K

R R

hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để

Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bịchặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từthông cũng được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giớihạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động Khi mômen tải là định mứcthì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là

  K 1

1 M

1 M 1 K

M D

M dm

max o

dm M

dm max

bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phầnứng động cơ Do đó có thể tính sơ bộ được

10 M

1

dm max



Vì thế tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ độcứng không vượt quá 10 Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độchính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở” như trên là khôngthoả mãn được

Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền độngmột chiều kích từ độc lập là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng

có đặc tính cơ trong toàn dải là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớnnhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơthấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép,thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộdải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là

min o min

o

min min o

dm

s

Vì các giá trị mômen định mứcMđm, tốc độ nhỏ nhất 0min, hệ số trượt cho phép

Scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai

số không vượt quá giá trị cho phép Để làm việc này, trong đa số các trường hợp cầnxây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín

Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữnguyên, do đó mômen cản cho phép của hệ sẽ là không đổi

Mc.cp=Kđm Iđm=Mđm

Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đườngthẳng  =đm, M= Mđm và các trục toạ độ Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trongmạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ

Eb=Eư +Iư(Rb +Rưđ)

Iư.Eb =Iư.Eư +Iư (Rb +Rưđ)Nếu đặt Rư + Rưđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là

Hình 1.16: Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau.

Hình vẽ mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường hợp đặctính tải khác nhau Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thíchhợp trong trường hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh Cũng thấy rằngkhông nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ làm giảm đáng kểhiệu suất của hệ

1.6.6 Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.

Điều chỉnh từ thông kích thích của dòng điện một chiều là điều chỉnh mômenđiện từ của động cơ M = KIƯ và sức điện động quay của động cơ Eư=K Mạch kích

từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến

dt

dr

r

e

k b

k k

Trong đó rk - Điện trở dây quấn kích thích

r - Điện trở của nguồn điện áp kích thích

k - Số vòng dây của dây quấn kích thích

Trong chế độ xác lập ta có quan hệ

k b

k k

rr

ei



 ; =f(ik)Thường khi điều chỉnh thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị địnhmức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính cóđiện áp phần ứng định mức và được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tựnhiên của động cơ) Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khảnăng chuyển mạch của cổ góp điện Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động

cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảođiều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải

Giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động

cơ giảm rất nhanh Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính

cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích

Hình 1.17: a) Sơ đồ thay thế b) Đặc tính điều chỉnh khi từ thông thay đổi

Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từthông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hoà của đặctính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và bằng hằng số C phụ thuộcvào thông số kết cấu của máy điện

1.7 Các nguyên tắc mở máy động cơ điện một chiều

1.7.1 Mở máy và đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

a Mở máy động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu khởi động động cơ ĐMđl bằng phương pháp trưc tiếp thì ban đầu tốc độ động cơbằng 0 nên dòng khởi động ban đầu rất lớn (Inm=Udm//Rư ≈ 10÷ 20Idm)

Như vậy nó đốt nóng mạch động cơ và gây sụt áp lưới điện hoặc làm cho sựchuyển mạch khó khăn hoặc momen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động làm

hệ chuyển động bị giật , lắc , không tốt về mặt cơ học ,hại máy và có thể gây nguyhiểm như: gãy trục , vỡ bánh răng ,đứt cáp, đứt xích… tình trạng càng xấu hơn nếunhư hệ truyền động điện thường xuyên phải mở máy, đảo chiều , hãm điện thườngxuyên như ở máy cán đảo chiều, cầu trục, thang máy…

Để đảm bảo an tòan cho máy ,thường chọn

Ikdpđ = Inm ≤ Icp =2,5Iđm

Muốn thế ,người ta thường đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắtđầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ nên xác lập

Ikdpđ = Inm =(2÷2,5) Iđm ≤ Icp Công xuất động cơ lớn thì chọn Inm nhỏ

Trong quá trình mở máy ,tốc độ động cơ 𝛚 tăng dần , sức điện động của động cơ

Eư= K.Φ 𝛚 cũng tăng dần và dòng điện động cơ giảm:

I =

Do đó mômen động cơ giảm

Nếu cứ giữ nguyên Rp trong mạch phần ứng thì khi tốc độ tăng theo đường đặctính 1 tới điểm B (hình 1.19), mômen động cơ giảm từ momen Mmm xuống bằngmômen cản Mc , động cơ sẽ quay ổn định với tốc độ thấp 𝛚b Do vậy , khi mômengiảm đi một mức nào đó (chẳng hạn M2) thì phải cắt dần điện trở phụ để động cơ tiếptục quá trình mở máy cho đến điểm làm việc A trên đường đặc tính tự nhiên

Khi bắt đầu cấp điện cho động cơ với toàn bộ điện trở khởi động , mômen ban đầucủa động cơ sẽ có giá trị Mnm Mômen này lớn hơn mômen cản tĩnh Mc do đó động cơbắt đầu được gia tốc.Tốc độ càng tăng nên thì mômen động cơ càng giảm xuống theođường cong AB (hình 1.19) .Trong quá trình đó mômen động ( chênh lệch giữamômen động và mômen cản : ∆M=Mđ – Mc ) giảm dần nên hiệu quả gia tốc cũng giảmtheo Đến một tốc độ nào đó , ứng với điểm B, tiếp điểm 1G đóng lại , một đoạn điệntrở khởi động bị nối tắt và ngay tại tốc độ đó , động cơ chuyển sang làm việc ở điểm C

trên đường đặc tính cơ thứ 2 Mômen động cơ lại tăng lên gia tốc lớn hơn và sau đógia tốc lại giảm dần khi tốc độ tăng, momen động cơ giảm dần theo đường cong

CD Tiếp theo quá trình lại xảy ra tương tự như vậy: Sau khi đóng tiếp điểm 2Gmomen động cơ giảm theo đường EF và đến điểm F tiếp điểm 3G đóng lại thì động cơchuyển sang làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1.18: Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ độc lập

qua 3 cấp điện trở.

Hình 1.19: Đặc tính cơ lúc mở máy động cơ điện một chiều

kích từ độc lập qua 3 cấp điện trở

b Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều ngược lại Vậymuốn đảo chiều quay điện một chiều ta có thể thực hiện một trong hai cách:

- Hoặc đảo chiều từ thông ( bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ )

- Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Hình 1.20: Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập

khi đảo chiều từ thông hoặc khi đảo chiều dòng điện phần ứng.

Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngược là đối xứng nhau quagốc tọa độ

Hình 1.21: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

kích từ độc lập khi đảo chiều quay.

Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông có côngsuất nhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy , vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn , hệ số tựcảm lớn,do đó thời gian đảo chiều tăng lên Ngoài ra , dùng phương pháp đảo chiều từthông thì từ thông qua trị số 0 có thể làm tốc độ động cơ tăng quá cao

1.7.2 Mở máy và đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

1.7.2.1 Phương trình đặc tính cơ

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dâyphần ứng như sơ đồ nguyên lý ở hình 3.5

Hình 1.22: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Với cách mắc mối tiếp dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt = Iư nên cuộndây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít Từ thông của động cơ phụthuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào tải :

Φ = k’ Iư

Trong đó K’ là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ Phương trình trênchỉ đúng khi mạch từ thông bão hòa từ và khi dòng điện Iư < ( 0,8÷0,9)Iđm Tiếp tụctăng dòng điện phần ứng Iư thì tốc độ tăng từ thông Φ chậm hơn tốc độ tăng Iư rồi sau

đó khi tải lớn (Iư > Iđm) thì có thể coi Φ = const vì mạch từ đã bão hòa

Hình 1.23: Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là

dòng kích từ ) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung

Uư = Eư + (Rư + Rưf ) Iư

Eư = K Φ.𝛚

M = K.Φ.Iư =K.K’.Iư2

Ta có thể tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là đườnghyperpol

Hình 1.24: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Thực tế ,động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bão hòa ở vùng tảiđịnh mức Do vậy , khi tải nhỏ động cơ có dạng hyperpol bậc 2 mềm, còn khi tải lớn( trên định mức )đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bão hòa ( Φ =const )

Khi Mc =0 (Iư =0) theo phương trình đặc tính cơ (hình 1.24) thì trị số tốc độ 𝛚 sẽ

vô cùng lớn Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch kích từ khi Ikt =0 vẫncòn có từ dư (Φdư #0) nên khi không tải Mc ≈ 0 , tốc độ động cơ lúc này sẽ là :

𝛚0 = Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ thông dư Φdư nhỏ nên 𝛚0 cũng lớnhơn nhiều so với trị số định mức (5÷6) 𝛚đm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ

truyền động điện Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ởchế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải Không dùng động cơ một chiềukích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát … Thông thường , tải tốithiểu của động cơ là khoảng ( 10÷20)% định mức Chỉ những động cơ công suất rấtnhỏ (vài chục watt ) mới có thể cho phép chạy không tải

1.7.2.2 Ảnh hưởng của thông số điện đối với đặc tính cơ

Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là dòng điệnkích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng của điện áp

Phương trình đặc tính cơ 𝛚 = f(M) (hình 1.24) của động cơ điện một chiều kích từnối tiếp cho thấy đặc tính cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch phần ứng

và cũng là mạch kích từ )

Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ Rưf =0.Các đặc tính cơ nhân tạoứng với Rưf #0 Đặc tính càng thấp thì Rưf càng lớn

Hình 1.25: Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc tính cơ

động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Trị số Mnm suy ra từ phương trình đặc tính cơ khi cho 𝛚=0

Trong đó : Inm=

1.7.2.3 Mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Lúc mở máy động cơ phải đưa thêm điện trở phụ mở máy vào mạch động cơ để

hạn chế dòng điện mở máy không được vượt quá giới hạn 2.5 Iđm

Trong quá trình động cơ tăng tốc , phải cắt dần điện trở mở máy và khi kết thúc quátrình mở máy , động cơ sẽ làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở

mở máy

Hình 1.26: Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp qua

2 cấp điện trở phụ.

Khi động cơ được cấp điện , các tiếp điểm K1 và K2 mở để nối các điện trở R1 và

R2 vào mạch động cơ Dòng điện qua động cơ được hạn chế trong giới hạn cho phépứng với momen mở máy

( ứng với tốc độ 𝛚1) thì điện trở mở máy R1 còn lại được cắt nốt ra khỏi mạch động cơnhờ đóng tiếp điểm K1

Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm E trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăngtốc theo đặc tính này tới làm việc tại điểm A Tại đây ,momen động cơ Mđ cân bằngvới momen Mc nên động cơ sẽ quay với tốc độ ổn định 𝛚A

1.7.2.4 Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Cũng như động cơ điện một chiều kích từ song song , động cơ điện một chiều

kích từ nối tiếp sẽ đảo chiều quay khi đảo chiều dòng điện phần ứng

Hình 1.27: Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

1.8 Các trạng thái hãm của động cơ điện một chiều.

Hãm một hệ TĐĐ nhằm đạt được một trong các mục đích sau

Trạng thái hãm điện của động cơ là trạng thái động cơ sinh ra mômen điện từ ngượcvới chiều quay của rôto.Phương pháp hãm điện tỏ ra rất có hiệu lực trong tất cả cácmục đích trên.Khi hãm điện,trục động cơ không bị phần tử nào tì vào cả mà chỉ cómomen điện từ tác dụng vào rôto động cơ để cản lại chuyển động quay rôto đang có Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có 3 trạng thái hãm điện:

- Hãm tái sinh(Hãm có hoàn trả năng lượng về lưới)

- Hãm ngược

- Hãm động năng

Đặc điểm chung của cả 3 trạng thái hãm điện là động cơ đều làm việc ở chế độ máyphát,biến cơ năng mà hệ truyền động điện đang có qua động cơ thành điện năng đểhoặc hoàn trả về lưới(hãm tái sinh) hoặc tiêu thụ thàng dạng nhiệt trên điện trởhãm(hãm ngươc,hãm động năng).Mômen để quay động cơ ở chế độ máy phát sẽ làmômen hãm đối với hệ truyền động điện

1.8.1 Hãm tái sinh

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng

(𝛚 > 𝛚0 ) Khi hãm tái sinh : Eư >Uư, động cơ làm việc như 1 máy phát song song vớilưới và trả năng lượng về nguồn , lúc này thì dòng hãm và momen hãm đã đổi chiều sovới chế độ động cơ

(3.7) Trong trạng thái hãm tái sinh , tốc độ của động cơ càng tăng trên tốc độ cơ bản ,trị số momen hãm càng lớn dần nên cho đến khi cân bằng với momen phụ tải của cơcấu sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ 𝛚od > 𝛚0 .

Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và IVcủa mặt phẳng tọa độ

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả

về lưới điện có giá trị P = (E-U)I Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơsinh ra điện năng hữu ích

Hình 1.28: Đặc tính cơ hãm tái sinh động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy, thì khi nâng tải , động cơchuyển động thường làm việc ở chế độ động cơ điểm A( hình 1.29 ) Khi hạ tải, ta đảochiều điện áp phần ứng đặt vào động cơ Nếu momen do trọng tải gây ra lớn hơnmomen ma sát trong các bộ phận chuyển động của cơ cấu, động cơ sẽ làm việc ở chế

độ hãm tái sinh Để hạn chế dòng khởi động ta đóng thêm điện trở phụ vào mạch phầnứng Tốc độ động cơ tăng dần lên, khi tốc độ động cơ gần đạt tới giá trị 𝛚0 ta cắt điệntrở phụ điểm C ( hình 1.29), động cơ tăng tốc độ trên đường đặc tính tự nhiên đoạn CB( hình 1.29 ) Khi tốc độ vượt quá 𝛚>𝛚0 thì momen điện từ của động cơ đổi dấu trởthành momen hãm Đến điểm B thì momen Mh =Mc , tải trong được hạ với tốc độ ổnđịnh 𝛚od trong trạng thái hãm tái sinh

Hình 1.29: Đặc tính hãm tái sinh khi hạ tải trọng của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

1.8.2 Hãm ngược.

Hãm ngược là trạng thái của động cơ khi momen hãm của động cơ ngược chiều vớitốc độ quay (M↑↓𝛚) Momen hãm sinh ra bởi động cơ khi đó chống lại chiều quay của

cơ cấu sản xuất Hãm ngược có 2 trường hợp :

1.8.2.1 Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng.

Động cơ đang làm việc ở điểm a, ta đưa thêm Rp lớn vào mạch phần ứng thìđộng cơ sẽ chuyển sang điểm b trên đặc tính biến trở Tại điểm b momen do động cơsinh ra nhỏ hơn momen cản nên động cơ giảm tốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nânglên Đến điểm c vì momen động cơ nhỏ hơn momen tải nên dưới tác động của tảitrọng,động cơ quay theo chiều ngược lại

Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần.Đến điểm d momen động cơ cânbằng với momen cản nên hệ làm việc ổn định với tốc độ hạ không đổi 𝛚od Đoạn cd làđoạn hãm ngược động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện,lúc này sứcđiện động của động cơ đảo dấu nên

Hình 1.30: Đặc tính cơ hãm ngược trường hợp đưa điện trở phụ

vào mạch phần ứng.

1.8.2.2 Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng.

Động cơ đang làm việc ở điểm a ta đổi chiều điện áp phần ứng ( vì dòng đảochiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) thì động cơ sẽ chuyển sang điểm

b (hình 3.14), tại điểm b mômen đã đổi chiều chống lại chều quay của động cơ nên tốc

độ giảm theo đoạn bc (hình 3.14) Tại c nếu ta cắt động cơ khỏi điện áp nguồn thìđộng cơ sẽ dừng lại, còn nếu không thì tại điểm c momen động cơ lớn hơn momen cảnnên động cơ sẽ quay ngược lại và sẽ làm việc sác lập ở d nếu phụ tải ma sát Đoạn bc

là đoạn hãm ngược , lúc này dòng hãm và momen hãm của động cơ

Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng

Tại thời điểm hãm ban đầu , tốc độ hãm ban đầu là 𝛚hd nên sức điện động ban đầu ,dòng hãm ban đầu và momen hãm ban đầu :

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu momen cản là momenkháng thì động cơ sẽ dùng hẳn (các đoạn b10 hoặc b20 ), còn nếu momen cản là thếnăng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại ( 0c1hoặc 0c2)

Hình 1.32: Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập 1.8.3.2 Hãm động năng tự kích từ.

Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì khôngthể thực hiện hãm do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn Muốn khắc phục nhượcđiểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích từ

Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm a) , thực hiện cắt cả phần ứng và kích từcủa động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở Rh, do động năng tích lũy trongđộng cơ , cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát tự kích biến cơnăng thành nhiệt năng trên các điện trở

Phương trình đặc tính cơ hãm động năng tự kích từ

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng tự kích từ ta thấy rằng trong quá trình hãmtốc độ giảm dần và dòng kích từ cũng giảm dần ,do đó từ thông của động cơ cũnggiảm dần và là hàm của tốc độ , vì vậy các đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từgiống như đặc tính không tải của máy phát tự kích từ

2.1 Tổng quan về PLC

2.1.1 Lịch sử phát triển của PLC

* 1968: Richard Morley sáng tạo ý tưởng PLC cho General Motors

* 1969: PLC đầu tiên (Allen Bradley và Bedford), được GM sử dụng trong côngnghiệp ô-tô (128 DI/DO, 1kByte bộ nhớ)

* 1971: Ứng dụng PLC đầu tiên ngoài CN ô-tô

* 1973: PLC „thông minh“ với khả năng tính toán, điều khiển máy in, xử lý dữliệu, giao diện màn hình

* 1975: PLC với bộ điều khiển PID

* 1976: Lần đầu tiên sử dụng trong hệ thống phân cấp điều khiển dây chuyền sảnxuất * 1977: mP-based PLC

* 1980: Các module vào/ra thông minh

* 1981: PLC nối mạng, 16-bit PLC, các màn hình CRT màu

kiện được đếm

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiểnbên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trongchương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ

ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điềukhiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau : +Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học + Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửachữa + Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp +Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp + Giao tiếp được với các thiết bịthông minh khác như : máy tính , nối mạng , các môi Modul mở rộng + Giá cả cá thểcạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và cácLogic thời gian Tuy nhiên ,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ vàtính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này