Thiết kế hệ thống truyền động Van - Động cơ với các yêu cầu cho trước sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển cầu 3 pha

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống truyền động Van - Động cơ với các yêu cầu cho trước sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển cầu 3 pha”... Để áp dụng lý thuyết với thực

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống truyền động Van - Động cơ với các yêu cầu cho trước sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu có

điều khiển cầu 3 pha”

`MỤC LỤC

2 Phần I : Phân tích hệ truyền động với

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá hiện nay, ngành tự động hoá đóng một vai trò hết sức quan trọng Việc áp dụng các hệ thống truyền động theo vòng kín nhằm tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế Một hệ thống làm việc ổn định thì sẽ cho ra những sản phẩm đảm bảo chất lượng cao

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện tử công suất Với việc phát minh ra các linh kiện bán dẫn đã và đang ngày càng đáp ứng được các yêu cầu của các hệ thống truyền động Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện bán dẫn mà làm cho hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, giá thành thấp hơn và có độ chính xác tác động cao hơn Với nhu cầu sản suất và tiêu dùng như hiện nay, thì việc tự động hoá cho xí nghiệp trong đó sử dụng các linh kiện gọn nhẹ là một nhu cầu hết sức cấp thiết

Sau gần 4 năm học tập và nghiên cứu ở trường, em đã được làm quen với các môn học thuộc ngành Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ này chúng em được giao đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ với yêu cầu “ Thiết kế hệ thống truyền động Van - Động cơ với các yêu cầu cho trước sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển cầu 3 pha”

Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn Đỗ Trung Hải và các thầy giáo trong bộ môn, đến nay đồ án của em đã được hoàn thành

Bản đồ án của em gồm hai phần chính :

Phần thuyết minh : gồm 5 phần :

1 Phân tích hệ truyền động với các mạch vòng phản hồi

2 Phân tích và lựa chọn phương án truyền động điện

3 Tính chọn một số thiết bị

4 Xây dựng đặc tính tĩnh và kiểm tra chất lượng tĩnh

5 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý

em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn, cảm ơn thầy Đỗ Trung Hải đã giúp đỡ em để bản thiết kế hoàn thành đúng thời hạn

Thái nguyên ngày Tháng năm 2007

Sinh viên thiết kế Phan Anh Hải

PHẦN I : PHÂN TÍCH HỆ TRUYỀN ĐỘNG VỚI CÁC

MẠCH VÒNG PHẢN HỒI

Như chúng ta đã biết với những hệ điều tốc điều khiển mạch vòng hở , nếu không yêu cầu cao đối với chất lượng tĩnh và động thì nó cũng có thể thực hiện điều tốc vô cấp trong một phạm vi nhất định Tuy nhiên ngày nay người ta thường ít sử dụng hệ hở bởi những nhược điểm của chúng là rất lớn không thể đáp ứng được yêu cầu công nghệ , yêu cầu về chất lượng sản phẩm Để khắc phục điều đó người ta sử dụng hệ kín

Theo lý thuyết điều khiển tự động , hệ thống điều tốc mạch vòng kín điều khiển phản hồi là dựa vào độ chênh lệch của đại lượng bị điều khiển thực hiện hệ thống điều khiển Chỉ cần lượng điều khiển bị xuất hiện độ chênh lệch là nó sẽ tự động tạo ra chức năng để cải chính độ chênh lệch Lượng giảm tốc độ quay chính là độ chênh lệch tốc độ quay do phụ tải gây ra Hiển nhiên hệ thống điều tốc mạch vòng kín càng có khả năng giảm mạnh

độ giảm vận tốc Sau đây ta sẽ xét đến cấu tạo của hệ thống điều tốc mạch vòng kín và đặc tính tĩnh của nó

Trên trục động cơ lắp đặt một sensin TG từ đó dẫn ra một điện áp phản hồi

Un tỉ lệ thuận với đại lượng đo tốc độ quay , sau khi so sanh với điện áp

U*n ứng với tốc độ quay cho trước sẽ tồn tại chênh lệch điện áp ∆Un , qua

bộ khuếch đại A sinh ra điện áp điều khiển Uet của bộ phát xung GT dùng

để điều khiển tốc độ quay của động cơ nhờ thế mà tạo nên hệ thống điều tốc mạch vòng kín có phản hồi

Sau đây sẽ phân tích trạng thái ổn định của hệ thống điều tốc mạch vòng kín này để làm rõ vấn đề này trước tiên ta phải đưa ra một số giả thiết

- Bỏ qua quan hệ phi tuyến giả thiết các quan hệ vào – ra là tuyến tính

- Bỏ qua điện trở trong của nguồn điện một chiều và triết áp

id

ud

tg

mbb®

gt

∆ un un un*

Như vậy quan hệ của các bộ phận cấu thành hệ thống điều tốc mạch vòng

kín có phản hồi âm tốc độ được thể hiện như sau :

- Khâu so sánh điện áp : ∆Un =U*n−Un

- Bộ khuếch đại : Uet=Kp.∆Un

- Bộ chỉnh lưu và bộ phát xung : Udo=Ks.Uet

- Đặc tính cơ vòng hở của hệ thống

Ce

R Id Udo

=

- Sensin : Un =α.n

Trong đó : Kp : hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại

Ks : hệ số khuếch đại của bộ biến đổi

α : Hệ số phản hồi đo tốc độ

Từ các phương trình trên ta tìm được phương trình đặc tính cơ của hệ kín như sau :

)1.(

.)

1(

)

/ 1.(

K Ce

R Id K

Ce

n U Ks Kp Ce

Ks Kp Ce

R Id n U Ks Kp n

+

−+

=+

n n

i d r

( - ) un

∆ un un*

α

1/ce ks

kp

So sánh đặc tính cơ hệ thống hở và kín ta thấy :

- Đặc tính cơ của hệ thống mạch vòng kín cứng hơn nhiều so với hệ thống hở

- Nếu so sánh giữa hai hệ thống mạch vòng kín và mạch vòng hở có cùng một giá trị n0 thì sai số trượt tĩnh của mạch vòng kín sẽ nhỏ hơn

- Lúc hệ số trượt tĩnh yêu cầu cố định thì hệ thống mạch vòng kín có thể mở rất rộng phạm vi điều tốc

 Muốn rút ra ba điều ưu việt nói trên thì hệ thống mạch vòng kín phải được bố trí bộ khuếch đại

Trên đây ta chỉ phân tích hệ thống kín với một mạch vòng phản hồi Ngày nay hệ thống trang bị đòi hỏi chất lượng rất cao vì vậy người ta không chỉ dừng lại ở hệ kín với một mạch vòng phản hồi mà sử dụng nhiều mạch vòng phản hồi

Điều khiển nhiều mạch vòng là điều khiển hệ thống có từ hai mạch vòng trở lên, vòng này đan xen lồng vào vòng kia tạo nên, tương đương hệ thống nối cực trong quá trình điều khiển

Phổ biến hiện nay là sử dụng hệ thống phản hồi với hai mạch vòng phản hồi là âm tốc độ và âm dòng Để khởi động nhanh nhất trong điều kiện cho phép , mấu chốt là ở chỗ cần phải nhận được một quá trình có dòng điện không đổi cực đại Iđm Theo quy luật điều khiển phản hồi , dùng phản hồi âm một đại lượng vật lý nào đó là có thể giữ cho đại lượng ấy cơ bản bất biến , thế thì dùng phản hồi âm dòng điện thì có thể nhận được quá trình dòng điện gần như không đổi Vấn đề là yêu cầu trong quá trình khởi động yêu cầu chỉ có phản hồi âm dòng điện mà không thể đồng thời có thêm phản hồi âm tốc độ Sau khi đạt tới tốc độ quay trạng thái ổn định, lúc này yêu cầu lại chỉ có phản hồi âm tốc độ quay mà không có phản hồi âm dòng điện Làm sao có thể thực hiện được tác dụng của hai loại phản hồi vừa cả âm tốc độ quay và cả âm dòng điện , lại vừa có thể làm cho chúng

chỉ gây tác dụng riêng biệt trong những giai đoạn khác nhau ? Hệ thống điều khiển tốc độ hai mạch vòng kín chính là dùng để giải quyết vấn đề này

Có thể xây dựng trên hai sơ đồ cấu trúc : + Có hai mạch vòng phản hồi nhưng chỉ có một bộ điều chỉnh + Có hai mạch vòng phản hồi và có hai bộ điều chỉnh độc lập

* Có hai mạch vòng phản hồi nhưng chỉ có một bộ điều chỉnh

)(1

I n U

U v = cd −γ −β ∆Khi I<Ing => U v =U cd −γn

Khi I>Ing => U v =U cd −γn−βI.Khi khởi động : Dòng lớn khâu phản hồi âm dòng có ngắt tham gia vào hạn chế dòng điện khởi động Eđc không lớn lắm sinh ra dòng điện chạy trong động cơ (Id) sau đó tốc độ tăng lên dòng có xu hướng giảm Khi Iư<Ing thì phản hồi âm dòng ngừng tác động chỉ có phản hồi âm tốc độ tham gia U v =U cd −γn đặc tính cơ cứng => I = Iđm động cơ làm việc xác

Điều chỉnh tốc độ : Điều chỉnh tốc độ bằng cách tăng hoặc giảm Ucđ

+ Tăng tốc : Tăng Ucđ => Uv tăng Nếu tăng Ucđ một lượng nhỏ đảm bảo I<Ing thì phản hồi âm dòng không tham gia

Nêu tăng Ucđ một lượng lớn mà I>Ing thì phản hồi âm dòng điện sẽ tham gia

+ Giảm tốc : Giảm Ucđ Nếu giảm ở mức độ nhỏ động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất , Nếu giảm ở mức độ lớn : Nếu bộ biến đổi không có khả năng dẫn dòng theo hai chiều => hãm tự do Nếu bộ biến đổi có khả năng dẫn dòng theo hai chiều động cơ hãm cưỡng bức

Khi thay đổi phụ tải cũng xảy ra tương tự + Tải tăng nhưng I<Ing thì không có phản hồi âm dòng + Tải tăng đến I>Ing khâu phản hồi âm dòng có tác dụng lớn giảm độ cứng đặc tính đến khi I = Id thì tốc độ bằng không (đặt rơ le nhiệt để cắt hệ thống)

I ®m I ng I d I

n

γn,βI≠0

Từ sơ đồ cấu trúc ta tìm được

D BBD kd

u S BBD D

BBD kd

D BBD kd cd

K I K K K

R R R

K K K

K K K U

1

1

γ

++

−+

=+ Khi Iư>Ing thì :

D BBD kd

D BBD kd ng u u

u S BBD D

BBD kd

D BBD kd cd

K K K

K K K U I I

R R R

K K K

K K K U n

1

)(

)(

1

γ

β

−+

++

−+

=

Nhược điểm của hệ thống sử dụng hai mạch vòng chung bộ điều chỉnh là tín hiệu phản hồi tốc độ biến thiên chậm gây sự bão hoà cho bộ khuếch đại

* Có hai mạch vòng phản hồi và có hai bộ điều chỉnh độc lập

Với hệ này đặc tính cơ có thể xảy ra ba trường hợp sau :

Trường hợp 1 trường hợp 2

r bb®+ r s r ¦

γ β

Trường hợp 3

Sơ đồ khối của hệ thống như sau :

Trong đa số các hệ truyền động thường sử dụng bộ điều chỉnh như trong trường hợp 1 vì vừa đảm bảo độ cứng đặc tính cơ trong điều kiện làm việc bình thường vừa có khả năng làm việc ( nhưng đặc tính cơ mềm hơn ) khi xảy ra quá tải nhẹ ta sẽ phân tích theo trường hợp này và cũng chọn bộ điều chỉnh loại này cho bản đồ án

Sơ đồ cấu trúc :

+ Khi Iư<Ing thì chỉ có mạch vòng phản hồi âm tốc độ tham gia

γn≠0 n

D u D BBD I n

u S BBD D

BBD I n

D BBD I n cd

K I K K K K

R R R

K K K K

K K K K U

1

1

γ

++

−+

=+ Khi Ibh<Iư<Ing thì cả hai mạch vòng cùng tham gia

D BBD I n

BBD I ng u u

u S BBD D

BBD I n

D BBD I n cd

K K K K

K K U I I

R R R

K K K K

K K K K U n

1

.)(

)(

1

γ

β

−+

++

−+

=+ Khi Id>Iư>Ing thì chỉ có mạch vòng phản hồi âm dòng điện tham gia

D BBD I ng u u

u S BBD BBD

- Để thiết kế hệ thống truyền động cho một đối tượng truyền động ta phải căn cứ vào đặc điểm công nghệ của nó, căn cứ vào chỉ tiêu chất lượng

mà đưa ra phương án hợp lý Với mỗi một đối tượng truyền động có thể thực hiện bằng các truyền động khác nhau Mỗi phương án đều có những

ưu nhược điểm của nó, nói chung phương án đưa ra cần đảm bảo các yêu cầu của đối tượng cần truyền động Phải đảm bảo được các chỉ tiêu về mặt

kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế, trong đó chỉ tiêu kỹ thuật là quan trọng hàng đầu Thông thường một hệ thống tốt hơn về mặt kỹ thuật cũng như tốn kém hơn về mặt kinh tế Do vậy tuỳ thuộc yêu cầu chất lượng và độ chính xác của sản phẩm ta cho chọn hệ thống truyền động điện nhằm đưa

ra một hệ thống đảm bảo yêu cầu mong muốn

* ý nghĩa:

- Việc lựa chọn phương án truyền động điện có ý nghĩa rất quan trọng Nó liên quan đến chất lượng sản phẩm cũng như ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của sản xuất Nếu như lựa chọn đúng thì chúng ta có thể tăng năng xuất làm việc, hạn chế được những hành trình thừa, chất lượng sản phẩm sẽ tốt hơn, do đó hiệu quả kinh tế sẽ cao hơn Kết quả sẽ hoàn toàn ngược lại nếu ta lựa chọn không đúng và nó còn gây ra tổn thất không ngờ trước

* phương án lựa chọn:

- Muốn chọn được hệ thống phù hợp với yêu cầu chúng ta phải đưa

ra các phương án có thể đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật sau đó đánh giá những ưu nhược điểm mà chọn cho hợp lý

I CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN:

-Để thiết kế hệ thống truyền động điện người thiết kế phải đưa ra nhiều phương án khác nhau Rồi sau đó so sánh các phương án trên hai phương diện kinh tế và kỹ thuật để chọn ra phương án tối ưu nhất Phương

án tối ưu nhất là phương án đáp ứng được yêu cầu đề ra đồng thời là phương án đảm bảo về mặt kỹ thuật và chi phí thấp nhất

I.1 : PHÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG VÀ PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

- Động cơ là thiết bị truyền chuyển động chính cho máy sản xuất , là đối tượng điều khiển của hệ thống điều khiển tự động truyền động điện việc chọn động cơ một cách hợp lý có một vị trí hết sức quan trọng trong công việc thiết kế hệ thống truyền động điện , động cơ được chọn phải thoả mãn các điều kiện công nghệ yêu cầu, phải phụ thuộc tính chất công suất của tải đồng thời phải thoả mãn các yếu tố sao cho tổn hao ít, giá thành hạ, hoạt động tin cậy, chi phí vận hành hàng năm nhỏ, lắp đặt thay thế dễ, sửa chữa đơn giản, để chọn động cơ quay chi tiết ta xét lần lượt các loại động

cơ : Trong công nghiệp động cơ dùng trong hệ truyền động điện gồm hai loại :

- Động cơ điện xoay chiều : Chia là hai loại : + Động cơ không đồng bộ : bao gồm động động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và động cơ không đồng bộ roto dây quấn

Sau đây ta sẽ đi nghiên cứu đặc điểm của từng loại cũng như các phương pháp điều chỉnh tốc độ của chúng

I.1.1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU : I.1.1.1 : ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

- Được sử dụng rộng rãi trong thực tế, ưu điểm là cấu tạo đơn giản, đặc biệt là loại rô to lồng sóc So với máy điện một chiều thì giá thành hạ vận hành tin cậy trực tiếp dùng điện lưới không cần dùng các thiết bị biến đổi khác nhược điểm là điều khiển và khống chế các quá trình quá độ khó khăn, với động cơ lồng sóc thì chỉ tiêu khởi động xấu hơn

hình 1

hình 2 hình 3 Hình 1 : Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ

Hình 2 : Sơ đồ thay thế Hình 3 : đặc tính cơ

rf = 0

rf # 0

n 1

Người ta đã chứng minh được phương trình đặc tính cơ :

Trong đó :

Uf : là giá trị hiệu dụng của điện áp pha sta to

R2, ,R1 : là điện trở rô to và stato đã quy đổi

S : hệ số trượt của động cơ

S S Sth

Sth a Mth M

2

) 1 (

2

+ +

+

=

Trong đó :

).(

.2

.3

2 1

2 1

1

2

nm X R R

S

R R

s

R U M

nm f

2 , 1

2 , 3

a = R1/R2 : Hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch của động cơ Sth = R’2/Xnm : hệ số trượt tới hạn

- Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ

- Thay đổi điện áp U khi tần số f = const

- Thay đổi điện trở mạch roto

- Thay đổi công suất trượt ( thay đổi số đôi cực )

a Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ

- Sức điện động của động cơ được cho bởi công thức sau : U1 = E = 4,44.W1.f1.Kdq1.ễ = C.f1 ễ => ễ = U1/C.f1 (*) Giả sử f = fcb = 50Hz , U1 = const

+ Nếu điều chỉnh f > fcb : Từ (*) ta thấy khi f tăng thì ễ giảm ( vì U = const) muốn giữ cho mômen không đổi ( M = K ễ.I2.cosử = const ) thì I2 phải tăng lên I2 > I2đm Như vậy sẽ làm cho mạch từ non tải và dây quấn roto quá tải

+ Nếu điều chỉnh cho f < fcb : Từ (*) ta thấy khi f giảm thì ễ tăng dòng từ hoá Iỡ tăng mạch từ bão hoà , cosử giảm , tổn hao lớn , nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép

Do vậy khi điều chỉnh tần số ( dùng bộ biến tần ) người ta thường đi kèm với việc thay đổi điện áp để giữ cho ễ = const điều này rất phức tạp

b Thay đổi điện áp U khi f = const

-Vì mômen động cơ tỉ lệ bình phương điện áp vì vậy khi thay đổi điện áp đặt vào stato sẽ thay đổi được mômen và thay đổi được tốc độ Để điều chỉnh được điện áp phải có bộ biến đổi điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) thông thường không áp dụng điều chỉnh U cho động cơ roto lồng sóc vì Sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ Với động cơ roto dây quấn khi điều chỉnh điện

áp cần nối thêm Rf mạch roto để mở rộng phạm vi điều chỉnh Phương pháp điều chỉnh điện áp mạch roto chỉ thích hợp với những truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió , bơm li tâm …

c Thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto

Ta có thể điều chỉnh trơn điện trở mạch roto bằng các van bán dẫn , ưu thế

là dễ tự động hoá việc điều chỉnh Điện trở trong mạch roto động cơ được xác định theo biểu thức

rf = 0

rf # 0

n1

mth1mth2

Rr = Rrd + Rf Trong đó : Rrd : Điện trở mạch dây quấn roto

Rf : Điện trở ngoài mắc thêm vào mạch roto Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trượt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở

S = Si.Rr/Rrd Trong đó : S : Độ trượt khi điện trở mạch roto là Rr

Si : : Độ trượt khi điện trở mạch roto là Rrd

Mặt khác :

Si

Rrd I Rrd

Rr Si

Rr r I S

Rr r I M

3

.3

.3

1 2

=

Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen thay đổi => tốc độ thay đổi Thông thường chọn Rf ở chế độ dài hạn , chọn bằng vật liệu có ủ nhỏ Phương pháp này làm tăng tổn hao , do đó giảm hiệu suất

Với máy điện không đồng bộ rô to dây cuốn, ta có thể dùng phương pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng để thay đổi tốc của nó Ưu điểm là kết cấu bộ biến đổi rất đơn giản nhưng nó có nhược điểm là ở vùng tốc độ thấp do hệ số trượt S lớn nên gây tổn hao nhiều

∆Ps = Pđt S

d Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh công suất trượt ( thay đổi số đôi cực )

n = n1.(1-s) =f1.(1-s)/p Khi thay đổi p thì n thay đổi Tuy nhiên việc thay đổi p sẽ làm cho tốc độ bị nhảy cấp và việc điều chỉnh

- Ưu điểm là có độ ổn định tốc độ cao hệ số cosử và hiệu suất lớn , vận hành có độ tin cậy cao

n

m mth

- Mạch stato tương tự động cơ không đồng bộ , mạch roto có cuộn kích từ

và cuộn dây khởi động

- Khi đóng điện động cơ làm việc với tốc độ không đổi và bằng tốc độ đồng

2π

Trong phạm vi mômen cho phép M<Mmax đặc tính cơ là tuyệt đối cứng M>Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ

Từ (1) ta thấy khi thay đổi f thì sẽ thay đổi được tốc độ do đó cấu trúc của

hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến tần kèm theo

Với máy đồng bộ thì bộ biến đổi cũng là bộ biến tần, nên hệ thống cũng phức tạp và đắt tiền như bộ biến đổi của động cơ Rôto lồng sóc Mặt khác do công nghệ là yêu cầu có chất lượng cao nếu sử dụng máy điện đồng bộ thì thời gian mở máy sẽ lâu và tốn nhiều thời gian như vậy thì năng suất lao động không cao

I.1.2 : ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

- Đặc điểm chung của động cơ điện một chiều là hoạt động tin cậy,

có mô men lớn, điều chỉnh tốc độ đơn giản hơn máy điện xoay chiều, nhưng nhược điểm là giá thành đắt

Động cơ một chiều có 3 loại chính : + Động cơ một chiều kích từ độc lập + Động cơ một chiều kích từ nối tiếp + Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp ít dùng vì vậy ta sẽ đi nghiên cứu hai loại trên

I.1.2.1 : ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

- Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp ta có cuộn dây kích từ được ghép nối tiếp với phần ứng

- Phương trình đặc tính cơ điện :

KC

R I KC

U

−

=

ω

Phương trình đặc tính cơ

2

KCI M

KC

R KCM U

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy : có thể điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ nối tiếp bằng cách thay đổi điện áp phần ứng hoặc thay đổi điện trở phần ứng bằng cách mắc thêm điện trở phụ

* Nhận xét :

- Đặc tính cơ có dạng hypebol và mềm ở phạm vi dòng điện có giá trị nhỏ hơn định mức ở vùng có dòng điện lớn hơn do mạch từ bão hoà nên từ thông hầu như không đổi và có dạng gần tuyến tính Do đó loại động cơ

®c

rf ckt

này không nên dùng cho hệ truyền động yêu cầu độ ổn định tốc độ cao mà

sử dụng cho những hệ truyền động có yêu cầu tốc độ thay đổi theo phụ tải Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen ( nhờ cuộn CKT mắc nối tiếp vào mạch phần ứng ) => Có khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập nên loại động cơ này sử dụng cho những hệ truyền động yêu cầu quá tải cao và mômen khởi động lớn

Vì từ thông phụ thuộc dòng điện nên khả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnh hưởng của sụt áp lưới

I.1.2.2: ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP :

K

R K

U

φ φ

K

R K

U

2

)( φ φ

cơ và đặc tính mômen cản của phụ tải

u ¦ +

- Từ phương trình đặc tính cơ ta đưa ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau :

- Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng động cơ

- Phương pháp thay đổi từ thông

- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

a Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ như hình vẽ

- Khi động cơ làm việc định mức Mđm = Mc

- Muốn thay đổi tốc độ ta đóng các điện trở phụ khi đó Iư giảm đột biến ,

do quán tính cơ nên tốc độ chưa kịp biến đổi Trên hệ toạ độ (ựM) điểm làm việc chuyển từ a sang b Mômen giảm M<Mc => tốc độ giảm làm Iư lại tăng lên và tiến tới làm việc xác lập tại c với tốc độ ự2< ự1

- Khi thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ thì :

+ ự2 = U/Kệđm = const + õ = -(Kệđm)2/R Phụ thuộc vào R

R càng tăng thì õ càng giảm và đặc tính cơ càng mềm Đây là điều hoàn toàn không mong muốn

* Nhận xét :

®c ckt

c

- Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ Nó là phương pháp điều chỉnh không triệt để dải điều chỉnh phụ thuộc giá trị của mômen cản , độ chính xác duy trì tốc độ không cao , độ tinh chỉnh kém

- Khi điều chỉnh tốc độ xuống thấp , sai số tốc độ càng lớn và mômen ngắn mạch càng nhỏ nghĩa là độ duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém , ngoài ra

số cấp điện trở có hạn , và việc điều chỉnh không trơn Tất cả những nguyên nhân trên đều hạn chế dải điều chỉnh

- Đặc biệt phương pháp này gây tổn thất nhiều năng lượng do đó giảm hiệu suất hệ thống

b Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như hình vẽ

M x K

Ru x

K

Udm I

x K

Ru x K

Udm

x φ φ φ ( φ )2

®c ckt

-n

a' ab' a'' b''

tn

φ1

φ2 c

khi giảm ệđm xuống ệ1, ệ2 với ệ1 > ệ2 Tại A có : ựxlA

Mc = const

ệ = ệđm

- Khi giảm từ ệđm xuống ệ1 do quán tính cơ chưa kịp thay đổi nên ự chưa thay đổi và chuyển sang A’ , M giảm xuống MA’ < Mc => tốc độ giảm và động cơ làm việc xác lập tại B’

- Khi giảm từ ệđm xuống ệ2 do quán tính cơ chưa kịp thay đổi nên ự chưa thay đổi và chuyển sang A’’ , M giảm xuống MA’’ > Mc => tốc độ tăng và động cơ làm việc xác lập tại B’’

- Như vậy khi giảm từ thông tốc độ có thể tăng hoặc giảm chứng tỏ phải có một giá trị ệcực trị thoả mãn

ệđm giảm > ệcực trị thì tốc độ giảm ệđm giảm < ệcực trị thì tốc độ tăng

- Khi thay đổi từ thông thì : Mnm = KệI = var

Khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông thì

- Vì công suất mạch kích từ nhỏ nên việc điều chỉnh là dễ dàng và tổn hao công suất ít

- Khả năng tự động hoá cao

- Độ cứng đặc tính cơ giảm mạnh khi từ thông giảm và tốc độ không tải lý tưởng tăng , sai lệch tĩnh tăng

- Dải điều chỉnh khi thay đổi từ thông nói chung là không rộng

- Khi giảm từ thông để tăng tốc độ thì điều kiện chuyển mạch cổ góp xấu đi

vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì phải đồng thời giảm Iư => mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh

- Do điện cảm lớn nên hằng số thời gian lớn , thời gian quá độ dài

c Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ

- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng cho như hình vẽ

M dm K

R dm

K

Ux I

dm K

R dm

K

Ux

2

)( φ φ

φ φ

Khi U giảm thì tốc độ giảm

dm K

βω

®c ckt

Trong đó Kqt : hệ số quá tải Kqt < 2

* Nhận xét :

- Đây là phương pháp được đánh giá tốt , nó là phương án điều chỉnh triệt

để , nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi không tải lý tưởng , phương pháp này đảm bảo sai số tốc độ nhỏ , khả năng quá tải lớn , dải điều chỉnh rộng và tổn thất năng lượng ít

- Phần tử điều khiển nằm ở mạch điều khiển bộ biến đổi nên độ tinh điều khiển cao , thao tác nhẹ nhàng và khả năng tự động hoá cao

- Khi thay đổi U độ cứng đặc tính cơ không thay đổi nên giảm sai lệch tĩnh

- Đặc biệt phương pháp này rất thích hợp với loại tải mang tính chất phản kháng và bằng hằng số ( Mc = const )

* Nhận xét chung :

Qua việc phân tích cấu tạo , đặc điểm cũng như các phương pháp điều chỉnh tốc độ đối với từng loại động cơ Đồng thời căn cứ vào yêu cầu công nghệ đòi hỏi thiết kế hệ truyền động điện với chất lượng cao , Mc = const mang tính chất phản kháng với dải điều chỉnh rộng , điều chỉnh tốc độ dễ dàng , yêu cầu có đảo chiều và quá trình quá độ xảy ra thường xuyên nên ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lập làm động cơ cho truyền động chính

và chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng vì những ưu điểm nổi bật của chúng

I.2 PHÂN TÍCH CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI :

Cấu trúc phần mạch lực của hệ thống truyền động điều chỉnh động

cơ bao giờ cũng cần có bộ biến đổi , các bộ biến đổi này cấp điện cho mạch

phần ứng hoặc kích từ của động cơ Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng 4 bộ biến đổi chính

- Bộ biến đổi máy điện gồm : Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy khuếch đại

- Bộ biến đổi điện từ : Khuếch đại từ

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Tiristor hoặc Diôt

- Bộ biến đổi chỉnh lưu không điều khiển + xung áp một chiều : Tranzitor hoặc Tiristor

I.2.1 : BỘ BIẾN ĐỔI MÁY ĐIỆN

- Bộ biến đổi này gồm máy phát một chiều kích từ độc lập phát ra điện áp cung cấp cho mạch phần ứng động cơ , máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha ĐK kéo quay và tốc độ quay của máy phát là không đổi

Sơ đồ nguyên lý như sau :

Người ta đã chứng minh được :

KF F KF

KF KF

KF F F F F F F

i C R

U i

i C K

K E

C : Hệ số góc của đặc tính từ hoá Vậy sức điện động của máy phát tỉ lệ điện áp kích thích bởi hệ số hằng KF

KF F

F K U

E =Khi ta thay đổi UKF sẽ thay đổi được EF tức là thay đổi được điện áp đặt lên động cơ

Nếu đặt R = RưF + RưD Thì ta có phương trình đặc tính của hệ như sau :

I K

R U

K

K

KF F

φ φ

KD KD

KF

KF F

U

M U

U

M K

R U

K K

.).(

)(

0

2

βω

ω

φφ

+ Có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp + Hệ thống làm việc linh hoạt ở bốn góc phần tư

+ Thực hiện tốt việc đảo chiều và các chế độ hãm + Phù hợp với tải Mc = const

- Nhược điểm +Công suất lắp đặt của hệ thống lớn gấp 5 lần công suất tải + Việc gia công nền móng tốn kém , diện tích lắp đặt lớn + Bảo quản phức tạp , gây tiếng ồn lớn

+ Hiệu suất không cao do sử dụng nhiều máy điện

I.2.2 : BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỪ :

Sơ đồ nguyên lý như sau :

Bằng cách thay đổi giá trị nguồn cấp cho KĐT ta sẽ thay đổi được giá trị điện áp ra của bộ biến đổi và thay đổi được tốc độ động cơ

* Nhận xét :

- Ưu điểm : Phạm vi điều chỉnh tốc độ tương đối rộng , dễ chế tạo , bền , giá thành hạ

- Nhược điểm : + Độ linh động điều khiển kém , đảo chiều khó khăn

+

-a b c

+ Quán tính của hệ lớn do ảnh hưởng của điện kháng khuếch đại từ + Hệ số công suất thấp , khi điều khiển chịu ảnh hưởng phi tuyến của đặc tính từ hoá mạch từ

I.2.3 : BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN + XUNG ÁP MỘT CHIỀU

Sơ đồ nguyên lý như sau :

- Điện áp đặt lên động cơ có dạng xung , muốn vậy phải có bộ nguồn một chiều , thông thường bộ nguồn này lấy từ bộ biến đổi chỉnh lưu không điều khiển ( chỉnh lưu điôt )

- Điện áp trung bình trên tải có dạng :

γ

.1.1

t U udt Tck

udt Tck Utb

Bằng cách thay đổi giá trị của γta sẽ thay đổi được giá trị của Utb và tốc

độ động cơ thay đổi theo

Về lý thuyết có 3 cách thay đổi γ là : + Giữ nguyên Tck và thay đổi t1 + Giữ nguyên t1 và thay đổi Tck + Kết hợp cả hai cách trên : Nhưng phức tạp và ít dùng thông thường dùng cách 1

* Nhận xét :

bb®

u®k

ud

+ Đặc điểm của bộ biến đổi xung áp là : Sử dụng các linh kiện bán dẫn nên tổn hao ít , không phụ thuộc nhiệt độ môi trường , khả năng tự động hoá cao , tuy nhiên sơ đồ phức tạp , mạch điều khiển cũng phức tạp

I.2.4 : BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU BÁN DẪN : DÙNG TIRISTOR

- Trong bộ biến đổi van , các van làm nhiệm vụ biến nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều cấp cho phần ứng động cơ và giá trị này có thể thay đổi được bằng cách thay đổi Uđk

- Nguyên lý điều khiển : khi có Uđk thông qua bộ phát xung ( FX ) sẽ điều khiển các Tiristor và nhận được điện áp chỉnh lưu bằng việc thay đổi Uđk

ta sẽ thay đổi được góc mở của T và thay đổi được giá trị điện áp đầu ra

*Nhận xét :

_ Ưu điểm +Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là tính tác động nhanh hệ thống gọn nhẹ , dễ tạo ra hệ thống vòng kín , hệ thống nâng cao được độ cứng đặc tính cơ và mở rộng phạm vi điều chỉnh Có thể điều chỉnh vô cấp , sai lêch tĩnh nhỏ

+ Dễ tự động hoá hệ thống , tác động nhanh ,hoạt động tin cậy không gây

ồn , không cần nền móng đặc biệt và hiệu suất cao _ Nhược điểm

u d

u ®k

fx

+ Hệ thống chịu nhiều ảnh hưởng của nhiệt độ khi dòng nhỏ suất hiện vùng gián đoạn , khả năng linh hoạt khi di chuyển trạng thái không cao , hệ thống đảo chiều phức tạp , khả năng quá tải của các van kém

+ Do các van có tính phi tuyến nên điện áp chỉnh lưu ra có dạng đập mạch rất cao

* Nhận xét chung :

Sau khi đưa ra 4 phương án trên kết hợp với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và khả năng vận hành cùng với điều kiện phát triển của khoa học kỹ thuật chọn phương án dùng T-Đ Vì phương án này có nhiều ưu điểm phù hợp với yêu cầu công nghệ

II: CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH ĐỘNG LỰC , CHỌN PHƯƠNG PHÁP HÃM:

- Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia :

+ Tia 1 pha + Tia 2 pha + Tia 3 pha + Tia 6 pha + Tia 12 , 24 pha ( rất ít gặp )

- Với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu :

+ Cầu 1 pha : 4T hoặc 2T + 2D hoặc 4D + 1T + Cầu 3 pha : 6T hoặc 3T + 3D

Sau đây ta sẽ đi nghiên cứu từng sơ đồ cụ thể

II.1.1 SƠ ĐỒ NỐI DÂY HÌNH TIA

- Số van chỉnh lưu bằng số pha nguồn xoay chiều

- Các van có một điện cực cùng tên nối chung

- Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính , trung tính nguồn là một điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu

Muốn giảm dòng qua T và tăng độ bằng phẳng của điện áp ra ta tăng số tia lên , về lý thuyết ta có thể tăng từ 1 ữ ∞ tia nhưng thực tế không thể vì số tia phụ thuộc số cuộn dây biến áp nguồn , thông thường gặp : n = 1 , 2 , 3 ( Dòng nhỏ đến trung bình ) ,n = 6 ít dùng ( dòng tải lớn )

+ n = 1 : Sơ đồ chỉnh lưu tia một pha :

Đây là sơ đồ đơn giản nhất , Sơ đồ này thường sử dụng ở dạng có D0và được ứng dụng trong một số trường hợp sau : Hệ thống truyền động điện dùng khớp ly hợp điện từ , để cung cấp điện áp một chiều điều chỉnh được cho một số thiết bị khác

+n =2 : Sơ đồ chỉnh lưu tia 2 pha :

Chỉnh lưu tia 2 pha có hoặc không có D0 Khi không có D0 điện áp trên tải có dạng :

αω

sin

2

) 0 (

U t td U

Điện áp trên tải vẫn còn phần điện áp âm ( phần nghịch lưu )

Dòng qua các T :

22

L aT

I t d I

I = π∫+α =

α

ωπ

Khi đóng K ( có D0 ) : phần điện áp âm trên tải không còn nữa và điện áp trên tải là :

2

1cos

) 0 (

π

α π π

ω π

α

π

α

.2

2

)(

22

1

0

0

L L

D

L L

aT

I t d I I

I t d I I

Tuy nhiên phổ biến hiện nay với sơ đồ hình tia người ta thường sử dụng n

= 3 ( chỉnh lưu hình tia 3 pha ) dù tải là cảm hay trở thì dòng qua tải luôn liên tục Ngoài ra ta cũng có thể mắc song song ngược hai bộ biến đổi hình tia 3 pha để đảo chiều quay cho động cơ

* n=3 Giả sử xét một sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha như sau :

Khi chưa có D0 Giản đồ điện áp và dòng điện như sau :

Từ giản đồ điện áp ta thấy luôn tồn tại một phần điện áp âm Hoạt động được tóm tắt như sau:

- Giả sử tại thời điểm ựt = ỏ+ð/6 thì T3 dẫn dòng , T1 , T2 khoá Tại thời điểm v1 uac > 0 đồng thời cho xung vào T1 mở , T3 đặt điện áp ngược nên khoá lại , T2 vẫn khoá ,ud = ua

- Đến ựt = ð , ua = 0 và chuyển sang âm , nhưng T1 vẫn mở vì nhờ sđđ tự cảm của Ld ( đây chính là phần điện áp âm trên hình vẽ )

- Đến ựt = ỏ+5ð/6 = v2 thì uba > 0 và có xung điều khiển -> T2 dẫn dòng

- Đến ựt = v3 Thì T3 dẫn dòng , các T thay nhau dẫn dòng -> dòng qua các