Khái quát về động cơ điên một chiều

Chơng III: Khái quát động điện chiều chơng III khái quát động điện chiều 3.1 Đặc tính động điện chiều kích từ ®éc lËp Khi ngn ®iƯn mét chiỊu cã c«ng st vô lớn điện áp không đổi mạch kích từ thơng mắc song song với mạch phần ứng, lúc động đợc gọi động kích tõ song song + U CKT - U RKT Rf E I CKT E Rf I RKT IKT + UKT Hình 3-1: Sơ đồ nối dây Hình 3-2: Sơ đồ nối dây động kích từ động kÝch tõ ®éc song song lËp Khi ngn ®iƯn mét chiều có công suất không đủ lớn mạch điện phần ứng mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với (H3.2) lúc động đợc gọi động kích từ độc lập 3.1.1.Phơng trình đặc tính Theo sơ đồ H.3.1 H.3.2, viết phơng trình cân điện áp mạch phần ứng nh sau: U = E + (R+Rf).I (3-1) 35 Ch¬ng III: Khái quát động điện chiều Trong U - điện áp phần ứng, V E - Sức ®iƯn ®éng phÇn øng, V R - ®iƯn trë cđa mạch phần ứng, Rf - điện trở phụ mạch phần ứng, I - dòng điện mạch phần øng Víi R = r + rcf + rb + rct r - điện trở cuộn dây phần ứng, rcf - ®iƯn trë cn cùc tõ phơ, rb - ®iƯn trë cn bï rct - ®iƯn trë tiÕp xóc cđa chổi điện Sức điện động E phần ứng động đợc xác định theo biểu thức: Eu PN (3-2) Trong đó: P Số đôi cùc tõ chÝnh, N – Sè dÉn t¸c dơng cuộn dây phần ứng - số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng - Tõ th«ng kÝch tõ díi mét cùc tõ, wb  - tèc ®é gãc Rad/s K PN hƯ sè cÊu tạo động Nếu biểu diễn sức điện động tốc độ quay n (vòng/phút) thì: E = Ke n (3-3) 36 Chơng III: Khái quát động ®iƯn mét chiỊu Vµ   2 n  60 9,55 V× vËy: Eu  PN n 60 Ke  PN 60 Ke  K = 0,105K 9,55 HÖ sè sức điện động động Từ (3-1) (3-2) ta cã:  Uu Ru  Rf  Iu K K (3-4) Biểu thức (3-4) phơng trình đặc tính điện động Mặt khác mômen điện từ đt động đợc xác định bởi: Mđt = KI Suy ra: Iu  (3-5) M dt K Thay giá trị I vào (3-4) ta đợc: Uu Ru Rf M K K (3-7) Đây phơng trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phản ứng phần ứng đợc bù đủ, từ thông = const, phơng trình đặc tính điện (3-4) phơng trình đặc tính (3-7) tuyến tính Đồ thị 0 chúng đợc biểu diễn hình 3-3 hình 2-4 đđm đm ờng thẳng Iđm Hình 3-3: Đặc tính điện động điện I Mđm 37 Hình 3-4: Đặc tính động điện chiều M Chơng III: Khái quát động điện chiều Theo đồ thị trên, I = hc M = ta cã:  Uu 0 K (3-8) 0 ta cã: Iu  Vµ U I nm Ru  Rf (3-9) M = KInm = Mnm (3-10) Inm, Mnm gọi dòng điện ngắn mạch mô men ngắn mạch Mặt khác, phơng trình đặc tính (3-4), (3-7) đợc viết dạng U u RI  0   K K (3-11)  Uu RM  0   K  K (3-12) Trong ®ã R = R + Rf 0 =   U K R R I u  M K 38 Chơng III: Khái quát động điện chiều đợc gọi độ sụt tốc độ ứng với giá trị M Ta biểu diễn đặc tính điện đặc tính hệ đơn vị tơng đối, với điều kiện từ thông định mức ( = đm) Trong ®ã:   ;  ( R cb  I I I dm ; M*  M R ,R*  M dm R cb U dm đợc gọi điện trở bản) I dm Từ (3-4) (3-7) , ta viết đặc tính điện đặc tính đơn vị tơng đối * R * I * (3-13) * 1  R * M * (3-14) 3-2: Điều chỉnh tốc độ động chiều 3.2-1: Khái niệm chung Về phơng diện điều chỉnh tốc ®é ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu cã nhiỊu u viƯt so với loại động khác, có khả điều chỉnh dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lợng điều chỉnh cao dải ®iỊu chØnh tèc ®é réng Thùc tÕ cã ph¬ng pháp để điều chỉnh tốc độ động điện chiều - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Cấu trúc phần lực hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động ®iƯn mét chiỊu bao giê còng cÇn cã bé biÕn đổi Các biến đổi cấp cho mạch phần ứng động 39 Chơng III: Khái quát động điện chiều mạch kích từ động Cho đến thờng sử dụng bốn loại biến ®ỉi chØnh - Bé biÕn ®ỉi m¸y ®iƯn gåm: ®éng sơ cấp kép mát phát chiều máy điện khuếch đại (KĐM) - Bộ biến đổi điện từ: khuếch đại (KDT) - Bộ biến đổi chỉnh lu bán dÉn: chØnh lu tiristo )CLT) - Bé biÕn ®ỉi xung áp chiều: tiristo tranzito (BBĐXA) Tơng ứng với biến đổi mà ta có hệ truyền ®éng nh: - HƯ trun ®éng m¸y ph¸t - ®éng (F-Đ) - Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động (MĐKD- Đ) - Hệ truyền động khuếch đại từ - động (KĐT - Đ) - Hệ truyền động chỉnh l tirsito - động (T-Đ) - Hệ truyền động xung áp động (XA-Đ) Theo cấu trúc mạch điều khiển hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động điện chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) loại điều khiển mạch hở (hệ trun ®éng ®iỊu khiĨn hë) HƯ ®iỊu chØnh trun ®éng điện có cấu trúc phức tạp, nhng có chất lợng điều chỉnh cao dải điều chỉnh rộng so với hệ truyền động hở Ngoài hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động chiều đợc phân loại theo truyền động có đảo chiều quay không đảo chiều quay Đồng thời tuỳ thuộc vào phơng pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc góc phần t, hai góc phần t bốn góc phần t 40 Chơng III: Khái quát động điện chiều 3.2.2 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động chiều cần có thiết bị nguồn nh máy phát điện chiều kích từ độc lập, chỉnh lu điều khiển Các thiết bị nguồn có chức biến lợng ®iƯn xoay chiỊu thµnh mét chiỊu cã søc ®iƯn ®éng Eb điều chỉnh đợc nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động nên biến đổi có điện trở R b điện cảm Lb khác không Rb I Ruđ LK Uđk U BBĐ Đ a) KT Eb(Uđk) E b) Hình 3-1: Sơ đồ khối sơ ®å thay thÕ ë chÕ ®é x¸c lËp ë chÕ độ xác lập viết phơng trình hệ thèng nh sau: Eb – Uu = I (Rb + R®)  Eb R  R ud  b I u Kdm Kdm  0  U dk   M Vì từ thông động đợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính không đổi, tốc độ không tải lý 41 Chơng III: Khái quát động điện chiều tởng tùy thuộc vào gía trị điện áp điều khiển Uđk hệ thống, nói phơng án điều chỉnh triệt để Để xác định điều chØnh tèc ®é ta ®Ĩ ý r»ng tèc ®é lín hệ thống bị chặn đặc tính bản, đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức từ thông đợc giữ giá trị định mức Tốc độ nhỏ dải điều chỉnh bị giới hạn yêu cầu sai số tốc độ mômen khởi động Khi mômen tải định mức giá trị lớn nhỏ tốc độ là: max max min 0 M dm  3-2 M  dm Để thoả mãn khả tải đặc tính thấp dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mc max = KM Mđm Trong KM hệ số tải mômen họ đặc tính đờng thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa độ cứng đặc tÝnh c¬ ta cã thĨ viÕt min  M nm  M dm  M dm  K M  1    M dm 0 max  1  M dm D   K M  1 M dm KM     3-3 0 max  0max  max ®k1 ®ki 0min Mđm M.I Mnmmin Hình 3-2: xác định phạm vi điều chỉnh 42 Chơng III: Khái quát động điện chiều Với cấu máy cụ thể giá trị 0max, Mđm, Km xác định Vì phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động thiết bị nguồn điều chỉnh điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động Do tính sơ đợc max M dm 10 Vì với tải có đặc tính mômen không đổi giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ không vợt 10 Đối với máy có yêu cầu cao dải điều chỉnh độ xác trì tốc độ làm việc việc sử dụng hệ thống hở nh không thoả mãn đợc Trong phạm vi phụ tải cho phép coi đặc tính tÜnh cđa chun ®éng mét chiỊu kÝch tõ ®éc lËp tuyến tính kkhi điều chỉnh điện áp, phần ứng độ cứng đặc tính toàn dải ®iỊu chØnh lµ nh nhau, ®ã ®é sơt tèc tơng đối đạt giá trị lớn đặc tính tấp dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vợt giá trị sai số cho phép, hệ truyền động làm việc với sai số nhỏ sai số cho phép toàn dải điều 43 Chơng III: Khái quát động điện chiều chỉnh Sai số tơng đối tốc độ đặc tính thấp là: S o  min   0 0 S M dm Scp Vì giá trị Mđm, 0min, Scp xác định nên tính đợc giá trị tối thiểu độ cứng đặc tính cho sai số không vợt giá trị cho phép Để làm việc này, đa số trờng hợp cần xây dựng hệ truyền động kiểu vòng kín Trong suốt trình điều chỉnh điện áp phần ứng từ thông kích từ đợc giữ nguyên, mômen tải cho phép hệ số không đổi M c cp Kdm I dm M dm Phạm vi điều chỉnh tốc độ mô men nằmg hình chữ nhật bao đờng thẳng = dm, M = Mđm trục tọa độ Tổn hao lợng tổn hao mạch phần ứng bỏ qua tổn hâo không đổi hệ Eb = E + I (Rb + R®) IEb = IE + I2 (Rb + Rw®) Nếu đặt Rb + Rđ = R hiệu suất biến đổi lợng hệ là: u Iu Eu  I u E u  I 2u R  MR   Kdm  * u  * M*R * 44 Chơng III: Khái quát động điện chiều Khi làm việc chế độ xác lập ta có mômen động sinh mômen tải trục: M* = M*c gần coi đặc tính phụ tải M*c = (*)* thì: u * *  R *  *  x  u ® X=-1m X=-1m m 0m M® M n m Hình 3-3: Quan hệ hiệu suất truyền động tốc độ với loại tải khác Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phâng ứng thích hợp trờng hợp mômen tải số toàn dải điều chỉnh Cũng thấy không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng nh làm giảm đáng kể hiệu suất hệ 3.2.3 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động Điều chỉnh từ thông kích thích động điện chiều điều chỉnh mômen điện từ động M = K I sức điện động quay động E=K Mạch kích từ động mạch phi tuyến, hệ điều chỉnh từ thông phi tuyến ik  ek d  k , rb  rk dt Trong đó: (3-6) rk - điện trở dây quấn kích thích 45 Chơng III: Khái quát động ®iƯn mét chiỊu rb - ®iƯn trë cđa ngn ®iƯn áp kích thích k số vòng dây dây quấn kích thích Trong chế độ xác lập ta có quan hÖ: ik  ek , rb  rk  f  i k  Thêng ®iỊu chØnh tõ thông điện áp phần ứng đợc giữ nguyên giá trị định mức, đặc tính thấp vùng điều chỉnh từ thông đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông dịnh mức đợc gọi đặc tính (đôi điều chỉnh đặc tính tự nhiên động cơ) Tốc độ lớn dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế khả chuyển mạch cổ góp điện Khi giảm từ thông để tăng tốc quay cổ góp điện Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay động đồng thời điều kiện chuyển mạch bình phơng cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết mômen cho phép trục động giảm nhanh Ngay giữ nguyên dòng điện phần ứng độ cứng đặc tính giảm nhanh giảm từ thông kích thích 46 Chơng III: Khái quát động điện chiều K Ru Hay  *  *  ik rbk I + rK U®k E LK WK - a) Ik Wk max Đặc tính Lk Mđm M (Uđk) b) Hình 3-4: Sơ đồ thay (a) đặc tính điều chỉnh điều chỉnh từ thông động (b) quan hệ (ikt), (c) Do điều chỉnh tốc độ băng cách giảm từ thông nên động mà từ thông định mức nằm chỗ tiếp giáp vùng tuyến tính vùng bão hoà đặc tính số C phụ thuộc vào thông số kết cấu máy điện:  = c.i k  C ek rb  rk 47 Chơng III: Khái quát động điện chiều 3.3: Hệ truyền động tiristo - động chiều có đảo chiều quay 3.3.1 Khái niệm chung Do chỉnh lu tiristo dẫn dòng theo chiều điều khiển đợc mở, khoá theo điện áp lới truyền động van thực đảo chiều khó khăn phức tạp truyền động máy phát - động Cấu trúc mạch lực nh mạch điều khiển hệ truyền động T- Đ đảo chiều có yêu cầu an toàn có logic điều khiển chặt chẽ Có hai nguyên tắc để xây dựng hệ truyền động (T - Đ) đảo chiều - Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng đảo chiều dòng kích từ động - Giữ nguyên chiều dòng kích từ đảo chiều dòng điện phần ứng Trong thực tế sơ đồ truyền động (T - Đ) đảo chiỊu cã nhiỊu song ®Ịu thùc hiƯn theo mét hai nguyên tắc đợc phân năm loại sơ đồ (Hình III-51, b, c, d, e) ~ ~ ld BCL1 Đ Bộ CLĐK CKĐ BCL2 a) Hình 3-5a: Trun ®éng dïng mét bé biÕn ®ỉi cÊp cho phần ứng vào đảo chiều quay đảo chiều dòng kích từ 48 Chơng III: Khái quát động ®iƯn mét chiỊu T ld - N § N + T b) Hình 3-5b: Truyền động dùng biến đổi cấp cho ứng động đảo chiều quay công tắc chuyển mạch phần ứng (từ thông giữ không đổi) 49 Chơng III: Khái quát động điện chiều ~ ld Đ + - c) Hình 3-5c: Truyền động dùng biến đổi cấp cho ứng điều khiển riêng ~ BĐH Đ + d) BĐM Hình 3-5d: Truyền động dùng hai biến đổi nối song song điều khiển chung e) + - Hình 3-5e: Trun ®éng dïng hai hai bé biÕn ®ỉi nèi theo sơ đồ chéo điều khiển chung 50 Chơng III: Khái quát động điện chiều Mỗi loại sơ đồ có u nhợc điểm riêng thích hợp với loại tải yêu cầu công nghệ: Loại H.3-5a: dùng cho động công suất lớn đảo chiều Loại H.3-5b: dùng cho động công suất nhỏ, tần số đảo chiều thấp, Loại H.3-5c: Dùng cho động dải công suất có tần số đảo chiều lớn Loại H.3-5d; e: dùng cho động giải công suất có tần số đảo chiều cao, so với ba loại thực đảo chiều êm hơn, nhng lại có kích thớc cồng kềnh Vốn đầu t tổn thất lớn Về nguyên tắc mạch điều khiển, chia làm hai loại chính: điều khiển riêng điều khiển chung Các sơ đồ H.3 5a, b, c có nguyên tắc mạhc điều khiển gần giống phải khoá biến đổu mạch phần ứng để cắt dòng, sau sau tiến hành chun m¹ch, nh vËy d tån t¹i, mét thêi gian gián đoạn Sơ đồ H.3-5d, e dùng nguyên tắc điều khiển liên tục Sau ta phân tích hai sơ đồ đặc trng H.3- 5c, d 3.3.2: Truyền động T - Đ đảo chiều Truyền động T - Đ đảo chiều điều khiển riêng Khi điều khiển riêng hai biến đổi làm việc riêng nhau, thời điểm phát xung điều khiển biến đổi bị khoá xung điều khiển Hệ có hai điều khiển tơng ứng BĐ1 BĐ2 với mạch phát xung điều khiển tơng ứng FX1 FX2 trật tự hoạt động phát xung đợc quy định tín hiệu logic b1 b2 Quá trình hãm đảo chiều đợc mô tả 51 Chơng III: Khái quát động điện chiều đồ thị thời gian Trong khoảng thời gian t1, BĐ1 làm việc chế độ chỉnh lu với góc BĐ2 bị khoá Tại t1 phát lệnh đảo chiều iLđ, góc điều khiển tăng đột ngột biến đến lớn /2, dòng phần ứng giảm dần không, lúc cắt xung điều khiển để khoa BĐ1, thời điểm t2 đợc xác định cảm biến dòng điện không SI1 Trong kho¶ng thêi gian trƠ  t  t , BĐ1 bị khoá hoàn toàn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu Tại t3, sđđ động E dơng, tín hiệu logic b2 kích thích cho FX2 52 Chơng III: Khái quát động điện mét chiỊu më B§2 víi gãc    cho dòng điện phần ứng không vợt giá trị cho phép, động đợc hãm tái sinh, nhịp điệu giảm phù hợp với quán tính hệ trì dòng điện hãm dòng điện khởi động ngợc không đổi, điều đợc thực mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện hệ thống sở khối logic, i lđ, il1, il2, tín hiệu logic Đầu vào b1, b2 tín hiệu logic đầu để khoá phát xung điều khiển ilđ = phát xung điều khiển mở BĐ1, ilđ = phát xung điều khiển mở BĐ2 i1L (i2L) = có dòng điện chạy qua BĐ1 (BĐ2) b1(b2) = khoá phát xung FX1 (FX2), Hệ truyền động đảm chiều điều khiển riêng có u điểm làm việc an toàn, dòng điện cân chảy biến đổi, song cần khoảng thời gian trễ dòng điện động không Truyền động (T - Đ) đảo chiều điều khiển chung Trên hình 3-7 mô tả ví dụ hệ T - Đ đảo chiều điều khiển chung thời điểm hai biến đổi nhận đợc xung mở, nhng có biến đổi cấp dòng cho chỉnh lu, biến đổi làm việc chế độ đợi Đặc tính điều khiển BĐ1 đờng I, đặc tính điều chỉnh BĐ2 đờng II Gi¶ thiÕt 1 <   , 2 > cho 2 Ed1 Ed2 dòng điện chảy từ BĐ sang động 53 Chơng III: Khái quát động điện chiều mà chảy từ BĐ1 sang BĐ2 đợc Để đạt đợc trạng thái góc điều khiển phải thoả mãn điều kiện: - 1 hay 2  1 NÕu tÝnh ®Õn gãc chun mạch góc khoá giá trị lớn nhÊt cđa gãc ®iỊu khiĨn cđa bé biÕn ®ỉi ®ang làm việc chế độ nghịch lu đợi phải là: max =  - (max + ) 54 Ch¬ng III: Khái quát động điện chiều 55 Chơng III: Khái quát động điện chiều Nếu tính đến góc chuyển mạch góc khoá giá trị lớn góc điều khiển biến đổi làm việc chế độ chỉnh lu lµ: min   +  NÕu chän Ed1 = Ed2 + = ta có phơng pháp điều khiển chung đối xứng sđđ tổng mạch vòng hai biến đổi số triệt tiêu dòng điện trung bình chảy òng qua biến đổi triệt tiêu I cb E d1  E d 0 R cb Trong đó: Rcb tổng điện trở mạch vòng cân Trong thực tế điều khiển thờng dùng phơng pháp điều khiển chung không đối xứng, tức > - Khi Ed2 > Ed1 dòng điện cân Trong phơng pháp điều khiển chung, đảm bảo Ed1 Ed2; tức không xuất giá trị trung bình dòng cân bằng, song giá trị tức thời Sđđ chỉnh lu ed1(t), ed2(t) khác nhau, xuất thành phần xoay chiều dòng điện cân Để hạn chế biên độ dòng điện cân thờng dùng cuộn kháng cân Lcb Trong sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha (H.37) dòng điện cân chảy hai vòng độc lập vòng I vòng II, vòng tạo thành chỉnh lu pha pha hình tia Trên hình 3-7, 3-8 giới thiệu trình điện áp cân Ucb, dòng điện cân icb vòng I Các điện áp Uđk1 UdA2 đợc đo điểm Ku A2 của chỉnh lu điểm trung tÝnh cđa ngn xoay chiỊu ba 56 Ch¬ng III: Khái quát động điện chiều pha, điện áp chỉnh lu Ed1 đợc đo điểm trung tính nguồn Trên hình 3-7 mô tả trình ®iỊu khiĨn chung ®èi xøng, cã thĨ thÊy râ t¸c dụng giảm biên độ dòng cân điều khiển chung không đối xứng Dạng điện áp chỉnh lu Ed đặc biệt có tính đến sụt áp điện kháng cân Ed1 = Udkf - 1 U cb   U dk1  U dk 2 Bằng cách tơng tự xây dựng đợc đồ thị Uđk2 UdA1 Ud2 đồ thị có dạng tơng tự nh Điện áp chỉnh lu biến đổi sÏ b»ng Ud = Ed1 – Ed2 Nh÷ng u, nhợc điểm hệ T - Đ * Ưu điểm bật hệ T - Đ độ tác động nhanh, không gây ồn dễ tự động hoá van bán dẫn có hệ khuếch đại công suất cao, điều thuận tiện cho việc thiết lập, hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lợng đặc tính tĩnh đặc tính động hệ thống + Nhợc điểm chủ yếu hệ T - Đ van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lu ta có biên độ đạp mạch cao, gây tổn thất phụ máy điện truyền động có công suất lớn làm xấu dạng điện áp nguồn lới xoay chiều Hệ số công suất cos hệ nói chung thấp 57 ... cho phần ứng vào đảo chiều quay đảo chiều dòng kích từ 48 Chơng III: Khái quát động điện chiều T ld - N Đ N + T b) Hình 3-5b: Truyền động dùng biến đổi cấp cho ứng động đảo chiều quay công tắc... hệ truyền động hở Ngoài hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động chiều đợc phân loại theo truyền động có đảo chiều quay không đảo chiều quay Đồng thời tuỳ thuộc vào phơng pháp hãm, đảo chiều mà ta... truyền động (T - Đ) đảo chiều - Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng đảo chiều dòng kích từ động - Giữ nguyên chiều dòng kích từ đảo chiều dòng điện phần ứng Trong thực tế sơ đồ truyền động (T