Bài giảng Truyền động điện - ĐH Phạm Văn Đồng

lực ma sát sinh ra. Các cơ cấu công tác có momen cản loại này chỉ tiêu thụ năng lượng mà thôi. Đồ thị biểu diễn momen cản phản kháng được vẽ trên hình 1.5b. b) Phân loại theo hàm số phụ[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

BÀI GIẢNG DÙNG CHO BẬC CAO ĐẲNG

a

b c

d e

f g

h A

Ic I2 I1

0

m



o

 

Iư

tn



nt1



3

i tn

Rf1 + Rf2 + Rf3

Rf1 + Rf2

TH.S LÊ TRƯƠNG HUY

BÀI GIẢNG

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

DÙNG CHO BẬC CAO ĐẲNG

SỐ TIẾT: 30

LỜI NÓI ĐẦU

Bài giảng TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN soạn thảo dựa sở chương trình

mơn học tên Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật - công nghệ, Trường Đại học Phạm Văn Đồng thông qua, nhằm phục vụ cho sinh viên bậc Cao đẳng, ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử Trường Đại học Phạm Văn Đồng Để tiếp thu tốt kiến thức môn học này, sinh viên cần phải nắm vững kiến thức môn Mạch điện, Máy điện Điện tử công suất

Bài giảng TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN gồm chương:

- Chương chương nêu khái niệm hệ truyền động điện đặc tính động điện

- Chương trình bày phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập động khơng đồng

Trong soạn thảo giảng này, tác giả đưa số ví dụ cụ thể nhằm mục đích minh họa vấn đề lý thuyết ứng dụng thực tế hệ truyền động điện

Ở cuối chương có câu hỏi ơn tập hay tập tự giải, giúp sinh viên hiểu sâu kiến thức học rèn luyện kỹ tính tốn để phục vụ cho kỳ thi cuối học kỳ

Nội dung giảng chắn nhiều vấn đề cần bổ sung, hoàn thiện Rất mong nhận góp ý xây dựng đồng nghiệp người học

Mọi góp ý xin gởi địa chỉ:

Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật - công nghệ, Trường Đại học Phạm Văn Đồng

509 Phan Đình Phùng, Quảng Ngãi

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1 Cấu trúc hệ truyền động điện

1.2 Phân loại hệ truyền động điện

1.3 Phân loại momen cản

1.4 Đặc tính động điện

1.5 Phương trình chuyển động truyền động điện 10

1.6 Các trạng thái làm việc động điện 11

CÂU HỎI ÔN TẬP 14

CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 15

2.1 Khái niệm chung 15

2.2 Đặc tính động chiều kích từ độc lập (kích từ song song) 16

2.2.1 Sơ đồ nối dây động chiều kích từ độc lập kích từ song song 16

2.2.2 Phương trình đặc tính 17

2.2.3 Đặc tính tự nhiên 21

2.2.4 Các đặc tính nhân tạo 23

2.2.5 Các trạng thái hãm 29

2.3 Đặc tính động không đồng 40

2.3.1 Sơ đồ đấu dây 40

2.3.2 Phương trình đặc tính 41

2.3.3 Đặc tính tự nhiên 47

2.3.4 Các đặc tính nhân tạo 48

2.3.5 Các trạng thái hãm 54

CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 61

3.1 Các tiêu điều chỉnh tốc độ 61

3.1.1 Sai số tốc độ đặt 61

3.1.2 Phạm vi điều chỉnh 62

3.1.3 Độ tinh điều chỉnh 62

3.1.4 Mức độ phù hợp đặc tính tải cho phép động đặc tính 64

máy sản xuất

3.1.5 Tính kinh tế hệ điều chỉnh 65

3.2 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều 65

3.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng 65

3.2.2 Điều chỉnh từ thông kích từ 69

3.2.3 Điều chỉnh điện áp phần ứng 71

3.3 Điều chỉnh tốc độ động không đồng 74

3.3.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch rôto 75

3.3.2 Điều chỉnh điện áp stato 77

3.3.3 Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động 79

3.3.4 Điều chỉnh công suất trượt 86

BÀI TẬP TỰ GIẢI 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

1

Chương

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1 Cấu trúc hệ truyền động điện 1.1.1 Định nghĩa hệ truyền động điện

Hệ truyền động điện tổ hợp nhiều thiết bị phần tử điện - dùng để biến đổi điện thành cung cấp cho cấu công tác máy sản xuất, đồng thời điều khiển dịng lượng tùy theo yêu cầu công nghệ máy sản xuất

1.1.2 Hệ truyền động máy sản xuất

Xét sơ đồ truyền động loại máy sau đây:

a) Truyền động máy bơm nước

Hình 1.1 Truyền động máy bơm nước

Động điện Đ biến đổi điện thành tạo momen quay M làm quay trục máy cánh bơm Cánh bơm cấu cơng tác CT, chịu tác

động nước tạo momen Mct ngược chiều tốc độ quay  trục, momen

này tác dụng lên trục động cơ, ta gọi momen cản Mc Nếu Mc cân với

momen động cơ: M = Mc hệ có chuyển động ổn định với tốc độ không đổi  =

const



M

CT (Cánh bơm)

Mct (Mc)

Khớp nối trục Đ

2

b) Truyền động mâm cặp máy tiện

Hình 1.2 Truyền động mâm cặp máy tiện

Cơ cấu công tác CT bao gồm mâm cặp MC, phôi (kim loại) PH kẹp mâm dao cắt DC Khi làm việc động Đ tạo momen M làm quay trục, qua truyền lực TL gồm đai truyền cặp bánh răng, chuyển động quay truyền đến

mâm cặp phôi Lực cắt dao tạo nên phôi hình thành momen Mct tác động

trên cấu cơng tác có chiều ngược với chiều chuyển động Nếu dời điểm đặt Mct

về trục động ta có momen cản Mc (thay cho Mct) Cũng tương tự ví dụ

trước, M = Mc hệ làm việc ổn định với tốc độ quay  = const tốc độ cắt

dao phôi không đổi

c) Truyền động cần trục máy nâng

Cơ cấu công tác gồm trống tời TT, dây cáp C tải trọng G Lực trọng trường G

tác động lên trống tời tạo momen cấu công tác Mct dời điểm đặt

nó trục động ta có momen cản Mc (thay cho Mct), động Đ tạo

ra momen quay M Khác với hai ví dụ trước, cần trục máy nâng Mct (hoặc Mc) có

chiều tác động lực trọng trường định nên không phụ thuộc chiều tốc độ, nghĩa có trường hợp ngược chiều chuyển động – cấu công tác tiêu thụ lượng

động cung cấp có trường hợp Mct chiều chuyển động – cấu công tác gây

ra chuyển động, tạo lượng cấp cho trục động



M

Đ x

x x x

x x

Mc

Bộ truyền lực TL

Mct

Fc

Phôi PH

Dao cắt DC Cơ cấu công tác CT Mâm cặp MC

3

Hình 1.3 Truyền động cần trục

Ví dụ, nâng tải trọng, động cấp lượng để gây chuyển động: M

cùng chiều  Tải trọng cản trở chuyển động tiêu thụ lượng động cấp

vào hệ: Mc ngược chiều 

Khi hạ tải trọng nặng, tải trọng với lực trọng trường làm trống tời

quay Chính cấp vào hệ gây chuyển động: Mct (hoặc Mc) chiều

 Năng lượng qua truyền TL đưa động làm quy trục động Lúc động làm việc máy phát điện, tiêu thụ biến thành điện

Đồng thời momen động sinh ngược chiều quay trục: M ngược chiều 

Động biến thành phanh hãm



x x

Bộ truyền lực TL M

Đ

Mct

x x

Dt

Động Đ

Dây cáp C

4

1.1.3 Cấu trúc chung hệ truyền động điện

Trong ví dụ trên, động Đ nối trực tiếp vào lưới điện cơng nghiệp nối vào nguồn riêng, gọi thiết bị biến đổi (BĐ) để tạo dạng lượng cần thiết với thông số phù hợp với u cầu động

Có thể mơ tả khái quát cấu trúc hệ truyền động điện sơ đồ khối hình 1.4 Ngồi khâu giới thiệu cịn có điều khiển ĐK để đóng cắt, bảo vệ điều khiển hệ thống

Hình 1.4 Cấu trúc hệ truyền động điện

Để thuận tiện việc khảo sát, ta chia khâu hệ truyền động điện thành hai phần: phần điện phần

- Phần điện gồm lưới điện, biến đổi BĐ, mạch điện – từ động Đ thiết bị điều khiển ĐK

- Phần gồm rôto trục động cơ, khâu truyền lực TL cấu công tác CT

BĐ Đ TL CT

ĐK

Lệnh đặt

Phần Điện Phần Cơ

L

ư

ớ

i

điệ

5

1.2 Phân loại hệ truyền động điện

Người ta phân loại truyền động điện theo nhiều cách tùy theo đặc điểm động điện, mức độ tự động hóa, đặc điểm chủng loại thiết bị biến đổi, công suất hệ thống Từ cách phân loại hình thành tên gọi hệ, ví dụ:

a) Theo đặc điểm động điện ta có truyền động điện chiều (dùng động

cơ điện chiều), truyền động điện không đồng (dùng động điện không đồng bộ), truyền động điện đồng (dùng động điện đồng bộ)

b) Theo tính điều chỉnh ta có truyền động khơng điều chỉnh (khi động

điện làm việc cấp tốc độ) truyền động điều chỉnh

c) Theo mức độ tự động hóa ta có hệ truyền động điện không tự động hệ

truyền động tự động

d) Một số cách phân loại khác như truyền động đảo chiều không đảo chiều,

truyền động đơn (nếu dùng động cơ) truyền động nhiều động (nếu dùng nhiều động để phối hợp truyền động cho cấu công tác)

1.3 Phân loại momen cản

Momen cản hình thành cấu cơng tác phụ thuộc đặc điểm công nghệ máy sản xuất, đa dạng Vì momen cản tác động lên trục động cơ, tính chất ảnh hưởng đến làm việc động hệ thống truyền động Vì vậy, khảo sát hệ truyền động, ta cần biết momen cản có dạng nào, thuộc loại

Có thể phân loại momen cản theo nhiều cách dựa vào dấu hiệu đặc trưng chúng Tuy nhiên, hay dùng ba cách phân loại sau: phân loại theo chiều tác dụng (so với chiều tốc độ), phân loại theo hàm số phụ thuộc tốc độ phân loại theo thời gian tác dụng

a) Phân loại momen cản Mc theo chiều tác dụng

Theo đặc điểm chiều tác dụng Mc so với chiều tốc độ  ta chia momen

6 - Momen cản năng: loại có chiều khơng phụ thuộc vào chiều tốc độ, ví dụ momen cản tải trọng sinh máy nâng, cần trục Nó có chiều ln hướng theo lực trọng trường, không phụ thuộc vào chiều nâng hay hạ tải trọng Có thể biểu diễn loại Mc hình 1.5a, Mc khơng đổi dấu dù  > hay  < 0, nghĩa Mc có

thể chiều ngược chiều với tốc độ chuyển động

Rõ ràng Mc tác động ngược chiều , cấu cơng tác có tác dụng cản trở

chuyển động, nghĩa tiêu thụ lượng, động nhận điện năng từ lưới, biến đổi thành để cung cấp cho cấu cơng tác Đó trường hợp

nâng tải trọng, minh họa mũi tên chiều Mc , , v, G hình

1.5a (phần phía trục hồnh).

b)

a)

Hình 1.5

a) Đồ thị momen cản b) Đồ thị momen cản phản kháng

Ngược lại, Mc chiều tốc độ, trường hợp hạ tải trọng, Mc

hỗ trợ chuyển động, nghĩa cấu công tác lấy tải trọng G, tạo cung cấp cho động Như momen cản loại phụ tải có khả

trao đổi lượng thuận nghịch với động điện



0 M

Mc

Mc



0 M

Mc

Nâng tải  Mc

v G

Hạ tải



Mc

v

7

- Momen cản phản kháng: ln có chiều ngược lại với tốc độ, ví dụ momen

lực ma sát sinh Các cấu cơng tác có momen cản loại tiêu thụ lượng mà Đồ thị biểu diễn momen cản phản kháng vẽ hình 1.5b

b) Phân loại theo hàm số phụ thuộc momen cản tốc độ - Đặc tính cơ máy sản xuất

Tùy thuộc vào loại máy sản xuất, tức phụ thuộc vào đặc điểm loại máy, lực cản momen cản có giá trị phụ thuộc tốc độ làm việc theo hàm số Mc = f() khác

Quan hệ Mc = f() gọi đặc tính máy sản xuất

Đặc tính máy sản xuất đa dạng, nhiên phần lớn chúng biểu diễn dạng biểu thức tổng quát sau:

     

  

q

c co ñm co

ñm

M M M M (1.1)

Trong đó:

Mc - momen cản với tốc độ 

Mco - momen cản tốc độ  =

Mđm , đm - momen tốc độ định mức

Ta có trường hợp số mũ q ứng với tải:

- Khi q = 0, Mc = Mđm = const, cấu nâng hạ, cần trục, thang máy, băng tải

thuộc loại

- Khi q = 1, momen tỷ lệ bậc với tốc độ, thực tế gặp, loại lấy ví dụ momen cản loại ma sát nhớt

8

Hình 1.6 Dạng đặc tính số máy sản xuất c) Phân loại momen cản theo thời gian tác dụng – Đồ thị phụ tải

Người ta phân loại momen cản theo hàm số phụ thuộc thời gian Mc = f(t),

còn gọi “đồ thị phụ tải” Theo ta phân momen cản (hoặc phụ tải động cơ) thành ba loại chính: phụ tải dài hạn (hình 1.7a), phụ tải ngắn hạn (hình 1.7b), phụ tải ngắn hạn lặp lại (hình 1.7c) Trong loại, chu kỳ làm việc Tck , giá trị Mc có

thể khơng đổi biến đổi

a) b) c)

Hình 1.7 Đồ thị phụ tải (momen cản phụ thuộc thời gian)

a) Loại dài hạn b) Loại ngắn hạn c) Loại ngắn hạn lặp lại



0

M

q = -1 q = q =

q =

Mco Mđm

đm

Mc

0 Tck t

Mc

0 tlv t

Mc

9

1.4 Đặc tính động điện

Quan hệ momen tốc độ quay động M = f() gọi đặc tính

cơ động điện

Thơng thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ:

- Đặc tính tự nhiên đặc tính có động nối theo sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm thiết bị phụ trợ thông số nguồn định mức Như động có đường đặc tính tự nhiên

- Đặc tính nhân tạo là đặc tính có thay đổi thơng số

nguồn, nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch sử dụng sơ đồ đặc biệt Mỗi động có nhiều đặc tính nhân tạo

Để đánh giá mức độ phụ thuộc tốc độ momen động cơ, nghĩa để đánh giá đặc tính cơ, người ta sử dụng đại lượng “độ cứng đặc tính cơ”:

dM M

d

   

  (1.2)

Hình 1.8 Độ cứng đặc tính

Đường 1: Đặc tính mềm Đường 2: Đặc tính cứng

Đường 3: Đặc tính cứng tuyệt đối



o



M

3

2

1

2



1



M

10

 nhỏ, ta có đặc tính mềm

 lớn, ta có đặc tính cứng

  , ta có đặc tính cứng tuyệt đối

Truyền động có đặc tính cứng, tốc độ thay đổi momen biến đổi lớn Truyền động có đặc tính mềm, tốc độ giảm nhiều momen tăng

1.5 Phương trình chuyển động truyền động điện

'' Tổng momen tác dụng lên hệ đạo hàm momen động lượng''

i

d(J ) M

dt



  (1.3)

Như ta biết, hệ truyền động có hai đại lượng momen tác động thường

ngược chiều nhau: momen động M momen cản Mc , ta viết:

M - Mc =

d(J ) dt



(1.4)

Khi sử dụng phương trình (1.4) cần ý cách lấy dấu đại lượng sau:

- Trước hết lấy chiều tốc độ làm chuẩn (ví dụ coi chiều dương)

- Dấu momen động cơ:

M > chiều  M < ngược chiều  - Dấu momen cản:

Mc > ngược chiều 

Mc < chiều 

Chú ý: Dấu “ - ” vế trái (1.4) giữ ngun coi dấu phương trình

Biến đổi phương trình (1.4) ta được:

M - Mc =

d dJ

J

dt dt

  

Bình thường J = const nên ta có: M - Mc =

d J

dt



11 Từ phương trình (1.5) ta thấy:

- Khi M > Mc

d dt



> - hệ tăng tốc - Khi M < Mc

d dt



< - hệ giảm tốc - Khi M = Mc

d dt



= - hệ làm việc xác lập với tốc độ ổn định  = const

1.6 Các trạng thái làm việc động điện

Sử dụng quan hệ đặc tính M() Mc(), theo phương trình chuyển

động (1.5) ta xác định điểm làm việc xác lập M() = Mc() Trên mặt phẳng

đặc tính [M,], điểm giao hai đường đặc tính, hệ làm việc

với tốc độ ổn định (xác lập) xl momen động momen cản có giá

trị Mxl (hình 1.9)

Chú ý rằng, hình 1.9 minh họa cho trường hợp tương ứng hình 1.3, động ấp lượng vào hệ, nghĩa momen động M tác động chiều tốc độ

, cịn cấu cơng tác máy sản xuất tiêu thụ lượng, nghĩa Mc ngược chiều



Hình 1.9 Điểm làm việc trạng thái xác lập



0

M

M( )

Mco Mxl

xl



 Mc

M

c

M ( )

o

12 Nếu quy ước  có chiều dương trường hợp M Mc

biểu thị phía trục M > 0, điểm xác lập nằm góc phần tư thứ mặt phẳng

[M,] Ta nói trường hợp động làm việc “trạng thái động cơ”

Cần phân biệt hai trạng thái làm việc động cơ: Trạng thái động trạng thái máy phát (còn gọi trạng thái hãm) Hai trạng thái khác hướng truyền lượng hệ chiều tác động momen động so với chiều chuyển động

a) Trạng thái động

Năng lượng truyền từ động đến máy sản xuất tiêu thụ

cấu công tác máy Trường hợp này, công suất điện đưa vào động Pđiện > 0, công

suất động sinh Pcơ = M> 0, momen động chiều tốc độ Với điều

kiện đó, trạng thái động tương ứng với góc phần tư thứ I thứ III mặt phẳng

[M,] (xem hình 1.10) Ở trạng thái này, cấu công tác máy sản xuất thu nhận

cơ năng, nghĩa Pc = Mc< 0, momen cản Mc có chiều ngược với chiều tốc độ 



M

 Mc

M  Mc M Mc  M I II III IV

I II

III

IV M( )

M( )

c

M ( )

c

M ( )

Trạng thái máy phát M < 0, Mc >

Trạng thái động M > 0, Mc <

Trạng thái máy phát M < 0, Mc >

Trạng thái động M > 0, Mc <

Mc M



13

b) Trạng thái máy phát

Năng lượng truyền từ phía máy sản xuất động Khi hệ truyền động làm việc, điều kiện cấu cơng tác máy sản xuất tạo động tích lũy hệ đủ lớn, truyền trục động cơ, động tiếp nhận lượng làm việc máy phát điện

Công suất động Pcơ = M< 0, momen động ngược chiều tốc độ, cịn cơng suất

do máy sản xuất tạo Pc = Mc> 0, nghĩa momen cản chiều tốc độ

Trạng thái tương ứng với điểm làm việc nằm góc phần tư thứ II thứ IV

của mặt phẳng [M,] (hình 1.10)

14

CÂU HỎI ÔN TẬP

1.1 Chức nhiệm vụ hệ truyền động điện ?

1.2 Hệ truyền động gồm khâu phần tử ? Lấy ví dụ minh họa máy sản xuất mà anh (chị) biết

1.3 Thế momen cản năng, phản kháng ? Đặc điểm chúng thể đồ thị theo tốc độ ? Lấy ví dụ cấu momen cản năng, cấu momen cản phản kháng

1.4 Thế momen cản phản kháng ? Lấy ví dụ cấu momen cản phản kháng 1.5 Định nghĩa đặc tính máy sản xuất Phương trình tổng qt nó, giải thích đại lượng phương trình

1.6 Hãy vẽ đặc tính máy sản xuất sau: máy tiện, cần trục, máy có ma sát nhớt, quạt gió

1.7 Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện, giải thích đại lượng chương trình, giải thích dấu đại lượng M Mc

1.8 Phương trình chuyển động cho ta biết thơng tin trạng thái làm việc hệ truyền động điện ?

1.9 Định nghĩa đặc tính động điện, độ cứng đặc tính

15

Chương

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1 Khái niệm chung

Chương cho ta thấy đặc tính cơ, bao gồm máy sản xuất động điện, công cụ quan trọng việc phân tích, tính tốn hệ truyền động điện

Khi đặt hai đường đặc tính M() Mc() lên hệ tọa độ, ta xác

định trạng thái làm việc động điện hệ (xem hình 1.9, 1.10): trạng thái xác

lập (khi M = Mc vùng   xl), trạng thái động (góc phần tư thứ

thứ ba) trạng thái hãm (góc phần tư thứ hai thứ bốn)

Khi phân tích hệ truyền động, ta thường coi máy sản xuất cho trước,

nghĩa coi biết trước đặc tính Mc() Vậy, muốn tìm kiếm trạng

thái làm việc với thơng số u cầu tốc độ, momen, dịng điện động ta phải tạo đặc tính động tương ứng Chương giúp ta nắm vững việc lập phương trình đặc tính động cơ, phương pháp tạo đặc tính nhân tạo đặc tính nhân tạo để sử dụng động phù hợp với máy sản xuất cho điều khiển động để có trạng thái làm việc theo yêu cầu cơng nghệ

Mỗi động có đặc tính tự nhiên xác định số liệu định mức Nhiều trường hợp ta coi đặc tính loạt số liệu cho trước Mặt khác, có vơ số đường đặc tính nhân tạo, nhận nhờ biến đổi vài thông số nguồn, mạch điện động cơ, dùng thêm thiết bị phụ trợ, thay đổi cách nối dây mạch Nói cách tổng quát, đặc tính nhân tạo tạo cách làm biến dạng đường đặc tính tự nhiên Do thơng số ảnh hưởng đến hình dáng vị trí đặc tính cơ, coi thông số điều khiển động cơ, tương ứng phương pháp tạo đặc tính nhân tạo

Phương trình đặc tính động điện viết dạng thuận M = f()

hay dạng ngược  = f(M), biểu thị theo hệ đơn vị có tên (M – Nm,  - rad/s) hệ

đơn vị tương đối (M*, *