Giáo Trình Truyền động điện Tự động - ThS. Khương Công Minh

Để phục vụ kịp thời cho việc học tập và giảng dạy của sinh viên và giáo viên khoa Điện tr-ờng Đại học Bách khoa Đà nẵng cũng nh- sinh viên các trung tâm, và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ s- điện và các ngành có liên quan, chúng tôi đã biên soạn giáo trình “truyền động điện tự động” (tập1, 2).

ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động ThS khơng công minh môn: tự động - đo lờng - khoa điện trờng đại học bách khoa đà nẵng giáo trình truyền động điện tự động (Lu hành nội bộ) Đà nẵng 2005 ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Chơng 1: lời nói đầu Để phục vụ kịp thời cho việc học tập giảng dạy sinh viên giáo viên khoa Điện trờng Đại học Bách khoa Đà nẵng nh sinh viên trung tâm, làm tài liệu tham khảo cho kỹ s điện ngành có liên quan, đà biên soạn giáo trình truyền động điện tự động (tập1, 2) Giáo trình gồm hai phần: Phần (Tập1): Trình bày kiến thức về: đặc tính máy sản xuất, động cơ; phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, hệ biến đổi - động cơ; trình độ hệ thống truyền động điện tự động; chọn công suất động Phần (Tập2): Trình bày hệ điều khiển tự động (ĐKTĐ) truyền động điện nh: phân tích nguyên tắc điều khiển tự động; phần tử điều khiển bảo vệ; tổng hợp hệ TĐĐTĐ theo đại số logic Nội dung giáo trình (Phần 1) gồm chơng: Chơng 1: Khái niệm chung hệ truyền động điện tự động Chơng 2: Đặc tính động điện Chơng 3: Điều chỉnh tốc độ động điện theo thông số Chơng 4: Điều chỉnh tốc độ hệ "Bộ biến đổi - Động điện" Chơng 5: Quá trình độ hệ thống truyền động điện Chơng 6: Tính chọn công suất động Nội dung giáo trình (Phần 2) gồm chơng: Chơng 1: Khái niệm chung hệ thống điều khiển tự động truyền động điện (HT ĐKTĐ TĐĐ) Chơng 2: Những nguyên tắc điều khiển tự động Chơng 3: Các mạch bảo vệ tín hiệu hóa Chơng 4: Phần tử điều khiển logic - số Chơng 5: Tổng hợp hệ ®iỊu khiĨn logic Kh¸i niƯm chung vỊ hƯ trun ®éng điện tự động Đ 1.1 Mục đích yêu cầu: + Nắm đợc cấu trúc chung hệ thống truyền động điện tự động (HT-TĐĐTĐ) + Nắm đợc đặc tính loại động hệ thống truyền động điện tự động cụ thể + Phân tích đợc phơng pháp điều chỉnh tốc độ động vấn đề điều chỉnh tốc độ hệ biến đổi - động + Khảo sát đợc trình độ HT-TĐĐTĐ với thông số hệ phụ tải + Tính chọn phơng án truyền động nắm đợc nguyên tắc để chọn công suất động điện + Nắm đợc nguyên tắc điều khiển tự động HTTĐĐTĐ + Phân tích đánh giá đợc mạch điều khiển tự động điển hình máy hệ thống đà có sẵn + Nắm đợc nguyên tắc làm việc phần tử điều khiển logic + Tổng hợp đợc số mạch điều khiển logic + Thiết kế đợc mạch điều khiển tự động máy hệ thống theo yêu cầu công nghệ Do hạn chế thông tin nh khả nên nội dung giáo trình chắn nhiều vấn đề cần hoàn thiện Rất mong bạn đồng nghiệp ®éc gi¶ ®ãng gãp ý kiÕn Th− gãp ý xin gửi cho ThS Khơng Công Minh, Giáo viên khoa điện, Trờng đại học Bách khoa, Đại học Đà nẵng Tác giả Trang ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Cấu trúc hệ TĐĐ TĐ gồm phần chính: Đ 1.2 Cấu trúc phân loại hệ thèng trun ®éng ®iƯn tù ®éng (t®® t®) 1.2.1 CÊu tróc cđa hƯ thèng trun ®éng ®iƯn tù ®éng: * Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động: + Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) tổ hợp thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện thành cung cấp cho cấu công tác máy sản suất, nh gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển trình biến đổi lợng theo yêu cầu công nghệ * Cấu trúc chung: Phần điện Ths Khơng Công Minh Phần - Phần lực (mạch lực): từ lới điện nguồn điện cung cấp điện đến biến đổi (BBĐ) động điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các biến đổi nh: biến đổi máy ®iƯn (m¸y ph¸t ®iƯn mét chiỊu, xoay chiỊu, m¸y ®iƯn khuếch đại), biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lu tiristor, điều áp chiều, biến tần transistor, tiristor) Động có loại nh: động chiều, xoay chiều, loại động đặc biệt - Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm cấu đo lờng, điều chỉnh tham số công nghệ, khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ cho ngời vận hành Đồng thời số hệ TĐĐ TĐ khác có mạch ghép nối với thiết bị tự động khác với máy tính điều khiển 1.2.2 Phân loại hƯ thèng trun ®éng ®iƯn tù ®éng: L−íi Bb® msx đc R Rt k kt vh gn Hình 1-1: Mô tả cấu trúc chung hệ TĐĐ TĐ BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động điện; MSX: Máy sản xuất; R RT: Bộ điều chỉnh truyền động công nghệ; K KT: Bộ đóng cắt phục vụ truyền động công nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Ngời vận hành Trang - Truyền động điện không ®iỊu chØnh: th−êng chØ cã ®éng c¬ nèi trùc tiÕp với lới điện, quay máy sản xuất với tốc ®é nhÊt ®Þnh - Trun ®éng cã ®iỊu chØnh: t thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ trun ®éng ®iƯn ®iỊu chØnh tèc ®é, hƯ trun ®éng điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ hệ truyền động điện tự động nhiều động - Theo cấu trúc tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động ®iƯn tù ®éng ®iỊu khiĨn sè, hƯ trun ®éng ®iƯn tự động điều khiển tơng tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chơng trình - Theo ®Ỉc ®iĨm trun ®éng ta cã hƯ trun ®éng ®iƯn tự động động điện chiều, động điện xoay chiều, động bớc, v.v - Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động hệ truyền động điện tự động - Ngoài ra, có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v Trang ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 1.3 ĐặC TíNH CƠ CủA MáY SảN XUấT Và ĐộNG CƠ 1.3.1 Đặc tính máy sản xuất: Ths Khơng Công Minh c + Đặc tính máy sản xuất quan hệ tốc độ quay mômen cản máy sản xuất: Mc = f() + Đặc tính máy sản xuất đa dạng, nhiên phần lớn chúng đợc biếu diễn dới dạng biểu thức tổng quát: Mc = Mco + (Mđm - Mco) ⎜⎜ ⎝ ωđm ⎠ ω d e ω M'c Mc Mc M M f ω®m q M'c (1-1) Trong đó: Mc - mômen ứng với tốc độ Mco - mômen ứng với tốc độ = Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức đm + Ta có trờng hợp số mũ q ứng với tải: Khi q = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tơng ứng cấu máy tiện, doa, máy dây, giấy, (đờng c hình 1-2) Đặc điểm loại máy tốc độ làm việc thấp mômen cản (lực cản) lớn Khi q = 0, Mc = Mđm = const, tơng ứng cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cấu ăn dao máy cắt gọt, (đờng d hình 1-2) Khi q = 1, mômen tỷ lệ bậc với tốc độ, tơng ứng cấu ma sát, máy bào, máy phát chiều tải trở, (đờng e hình 1-2) Khi q = 2, m«men tû lƯ bËc hai víi tèc độ, tơng ứng cấu máy bơm, quạy gió, máy nén, (đờng f hình 1-2) + Trên hình 1-2a biểu diễn đặc tính máy sản xuất: Trang Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Mđm a) M b) c) Hình 1-2: a) Các dạng đặc tính máy sản xuất c: q = -1; d: q = 0; e: q = 1; f: q = b) Dạng đặc tính máy sản xuất có tính c) Dạng đặc tính máy sản xuất có tính phản kháng + Ngoài ra, số máy sản xuất có đặc tính khác, nh: - Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f() mômne phụ thuộc vào đờng Mc = f(s), máy công tác có pittông, máy trục cáp cân có đặc tính thuộc loại - Mômen phụ thuộc vào số vòng quay đờng Mc = f(,s) nh loại xe điện - Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) nh máy nghiền đá, nghiền quặng Trên hình 1-2b biểu diễn đặc tính máy sản xuất có mômen cản dạng Trên hình 1-2c biểu diễn đặc tính máy sản xuất có mômen cản dạng phản kháng Trang ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 1.3.2 Đặc tính động điện: + Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mômen động cơ: M = f() + Nhìn chung có loại đặc tính loại động đặc trng nh: động điện chiều kích từ song song hay độc lập (đờngc), động điện chiều kích từ nối tiếp hay hỗn hợp (đờngd), động điện xoay chiều không đồng (đờnge), đồng (đờngf), hình 1-3 f e Ths Khơng Công Minh = M M ; đặc tính tuyến tính thì: = ; Hoặc theo hệ đơn vị tơng đối: * = Hoặc tính theo đồ thị: = Trong đó: c d + m tỉ lệ xích trục tốc độ + Đặc tính tự nhiên: đặc tính có đợc động nối theo sơ đồ bình thờng, không sử dụng thêm thiết bị phụ trợ khác thông số nguồn nh động định mức Nh động có đặc tính tự nhiên + Đặc tính nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh: đặc tính nhận đợc thay đổi thông số nguồn, động nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, sử dụng sơ đồ đặc biệt Mỗi động có nhiều đặ tính nhân tạo (1-2a) dM * ; d* (1-2b) Trong đó: M lợng sai phân mômen tốc độ tơng ứng; M* = M/Mđm ; * = /đm ; * = ω/ωcb + mM lµ tØ lƯ xÝch cđa trơc mômen M Hình 1-3: Các đặc tính bốn loại động điện * Thờng ngời ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: Giáo Trình: Truyền động điện Tự động + góc tạo thành tiếp tuyến với trục điểm xét đặc tính mM tg ; (hình 1- 4) m (1-3) m XL mM M() M Hình 1- 4: Cách tính độ cứng đặc tính đồ thị + Động không đồng có độ cứng đặc tính thay đổi giá trị ( > 0, < 0) + Động đồng có đặc tính tuyệt đối cứng ( ) 1.3.3 Độ cứng đặc tính cơ: + Động chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cứng ( 40) + Đánh giá so sánh đặc tính cơ, ngời ta đa khái niệm độ cứng đặc tính đợc định nghĩa: + Động chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tÝnh c¬ mỊm (β ≤ 10) Trang Trang ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 1.4 CáC TRạNG THáI LàM VIệC CủA Hệ TĐĐTĐ + Trong hệ truyền động điện tự động có trình biến đổi lợng điện thành ngợc lại Chính trình biến đổi định trạng thái làm việc hệ truyền động điện Có thể lập Bảng 1-1: TT Biểu đồ công suất Pđiện Pcơ P =0 = Pđiện Pđ - Động P Pđ P ∆P 0 Pc ∆P = P® - Pc ; Ths Khơng Công Minh i - hiệu suất hộp tốc ®é i= ω - gäi lµ tû sè trun cđa hộp tốc độ lv Trang 11 ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trong đó: Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trong đó: Jqđ - mômen quán tính quy đổi trục động * Nếu chuyển động tịnh tiến lực quy đổi: M cqõ = Ths Khơng Công Minh Flv . Đ - tốc độ góc trục động (1-8) JĐ - mômen quán tính động = i.t - hiệu suất truyền lực Ji - mômen quán tính bánh thứ i t - hiệu suất tang trống mj - khối lợng quán tính tải träng thø j ii = ω/ωi - tØ sè truyÒn tèc ®é tõ trơc thø i ρ = ω/vlv - gọi tỷ số quy đổi = /vj - tỉ số quy đổi vận tốc tải trọng - Khi lợng truyền từ máy sản xuất đến động c¬: Ptr = Pc - ∆P * VÝ dơ: S¬ đồ truyền động cấu nâng, hạ : (tự chứng minh) 1.5.2 Quy đổi mômen quán tính khối lợng quán tính: Jđ , Mđ , đ + Điều kiện quy đổi: bảo toàn động tích luỹ hÖ thèng: c i, ηi d n W= ∑W (1-9) i ωt , Jt , Mt , ηt ω 2 Chun ®éng quay: W = J Chuyển động tịnh tiến: W = m f (1-10) vlv,Flv v2 G (1-11) NÕu sư dơng s¬ đồ tính toán phần dạng đơn khối, áp dụng điều kiện ta có: n v ω2 ωi2 q = J ⋅ + ∑ Ji ⋅ + ∑mj ⋅ j J qâ ⋅ 2 2 1 Hình 1- 6: Sơ đồ động học cấu nâng hạ c động điện; d hộp tốc độ; e tang trống quay; f tải trọng ⇒ n jqâ = J  + ∑ m Ji + ∑ 2j ii ρj (1-12) Ta cã: J qâ = J  + ∑ q Trang 12 e (1-13) Trong ®ã: it = Ji Jt m j + + i i2 i 2t ρ 2j (1-14) ω - tØ sè trun tèc ®é từ trục tang trống t Trang 13 ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 1.6 PHƯƠNG TRìNH ĐộNG HọC CủA Hệ TĐĐ TĐ + Là quan hệ đại lợng (, n, L, M, ) víi thêi gian: r r d (Jω) Mi = ∑ dt i =1 (1-15) + NÕu coi m«men động sinh mômen cản ngợc chiều nhau, J = const, ta có phơng trình dới d¹ng sè häc: M − Mc = J dω dt (1-16) * Nếu chọn lấy chiều tốc độ làm chuẩn thì: M(+) M M(-) M↑↓ω Cßn Mc(+) Mc↑↓ω; Mc(-) Mc↓↓ω Nh− ë đà nêu, M = Mc hệ TĐĐTĐ làm việc xác lập Điểm làm việc xác lập giao điểm đặc tính động điện (M) với đặc tính máy sản suất (Mc) Tuy nhiên giao điểm hai đặc tính điểm làm việc xác lập ổn định mà phải có điều kiện ổn định, ngời ta gọi ổn định tĩnh hay làm việc phù hợp động với tải Để xác định điểm làm việc, dựa vào phơng trình động học: Theo hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); (Rad/s); t(s) Theo hÖ kü thuËt: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s): M − Mc = GD dn ⋅ 375 dt (1-17) J J dn 9,55 dt d Mômen động: Mđg = M − M c = J dt d ⎡⎛ ∂M ⎞ ⎛ ∂M c ⎞ ⎤ = ⎜ ⎟ ⋅ (ω − ωx ) ⎟ −⎜ dt ⎢⎣⎝ ∂ω ⎠ x ⎝ ∂ω ⎠ x ⎥⎦ ⎛ ∂M ⎞ ⎛ ∂M c ⎞ ⎟ → hƯ tăng tốc dt (M) B M d < hệ giảm tốc dt - Khi Mđg = hay M = Mc , th× dω/dt = → hệ làm việc xác lập, hay hệ làm việc ổn định: = const Trang 14 (1-22) Từ phơng trình (1-19) ta thấy rằng: - Khi Mđg > hay M > Mc , th× (1-21) * VÝ dơ: Xét hai điểm giao đặc tính cơ: (1-19) (1-20) Ngời ta xác định đợc điều kiện xác lập ổn định là: Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s): M Mc = Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 1.7 ĐIềU KIệN ổN ĐịNH TĩNH CủA Hệ TĐĐ TĐ n Dạng tổng quát: Ths Khơng Công Minh (MC) c Hình 1- 7: Xét điểm làm việc ổn định Trang 15 ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Tại điểm khảo sát ta thấy ba điểm A, B, C điểm làm việc xác lập ổn định Điểm D điểm làm việc không ổn định Trờng hợp: A: < c < c = xác lập ổn định B: > c > c1 = không ổn định Đ 1.8 ĐộNG HọC CủA Hệ TĐĐ TĐ Trong hệ TĐĐ TĐ có thiết bị điện + cơ, phận có nhiệm vụ chuyển từ động đến phận làm việc máy sản xuất đợc biến thành công hửu ích Động điện có phần điện (stato) phần (roto trục) BĐ ĐC TL MSX Ths Khơng Công Minh Tính đàn hồi lớn xuất hệ thống có mạch động học dài không chứa phần tử đàn hồi Sự biến dạng phần tử nhỏ nhng số phần tử lớn nên toàn máy trở nên đáng kể Trong trờng hợp phần khí hệ thay tơng đơng mẫu học đơn khối mà phải thay mẫu học đa khối, hình 9b MĐ Mđh J1 Động ĐK Phần Hình 1- 8: Sơ đồ cấu trúc hệ TĐĐ TĐ Phần phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu loại máy, chúng đa dạng phức tạp, phải đa dạng điển hình đặc trng cho loại, phần có dạng tổng quát đặc trng gọi mẫu học truyền động điện Mẫu học (đơn khối) vật thể rắn quay xung quanh trục với tốc độ động cơ, có mômen quán tính J, chịu tác động mômen động (M) mômen cản (Mc), hình M Hình 1- 9: Mẫu học J Khâu đàn hồi a) M Phần điện Giáo Trình: Truyền động điện Tự động MC F1 J2 Fđh Máy sản xuÊt J® K m2 F2 F®h b) JC MC ωC c) Hình 1- 10: Mẫu học đa khối hệ chuyển động quay (a), chuyển động tịnh tiến (b) có khâu khí đàn hồi, hệ trục mềm đàn hồi (c) Nếu quy đổi mômen mômen quán tính trục tốc độ (động máy sản xuất) phần lớn trờng hợp hệ truyền động có khâu đàn hồi phần thay tơng đơng mấu học đa khối gồm khâu: khâu gồm rôto phần ứng động với phần tử nối cứng với động nh hộp tốc độ, trống tời v.v ; khâu khâu đàn hồi không quán tính; khâu khâu máy sản xuất; nh hình 1- 9b Trong Mđh mômen đàn hồi Mc Trang 16 m1 Khâu đàn hồi Trang 17 ... đặc tính - điện (hình 2-2 a) đặc tính (hình 2-2 b) đờng thẳng Trang 23 Ths Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Từ ( 2-7 ) ta... không tự động hệ truyền động điện tự động - Ngoài ra, có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v Trang ThS Khơng Công Minh Giáo Trình: ... tính nhân tạo có điện trở phụ mạch phần ứng nh đờng d hình - Trang 27 Ths Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Nếu điểm cuối