Bài giảng Truyền động điện - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bài giảng Truyền động điện cung cấp cho người học các kiến thức: Những khái niệm cơ bản về hệ truyền động điện; Đặc tính cơ của động cơ điện; Điều chỉnh tốc độ truyền động điện; Tính toán và chọn công suất động cơ điện trong truyền động điện. Mời các bạn cùng tham khảo!

Bộ lao động thương binh xà hội Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định tập giảng truyền động điện Nam định 2011 LI NểI U Truyn động điện có nhiệm vụ thực cơng đoạn cuối công nghệ sản xuất Đặc biệt dây chuyền sản xuất tự động đại, truyền động điện đóng vai trị quan trọng việc nâng cao suất chất lượng sản phẩm Vì hệ truyền động điện luôn quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng yêu cầu công nghệ với mức độ tự động hóa cao Ngày nay, ứng dụng tiến kỹ thuật điện tử công suất, tin học hệ truyền động điện phát triển thay đổi cách đáng kể Các biến đổi điện tử công suất chế tạo hoàn chỉnh ứng dụng khoa học tiên tiến phương pháp tính để điều chỉnh tốc độ động đáp ứng yêu cầu công nghệ, đạt chất lượng cao, tiết kiệm lượng, giảm kích thước hạ giá thành hệ Ở nước ta, yêu cầu cơng nghiệp hóa đại hóa kinh tế, ngày xuất nhiều dây chuyền sản xuất có mức độ tự động hóa cao với hệ truyền động đại Nghiên cứu hệ truyền động, nghiên cứu phân tích đặc tính động cơ, máy sản xuất phương pháp điều chỉnh tốc độ ứng dụng để truyền động cho cấu máy công nghiệp Để thống nội dung giảng dạy, có tài liệu nghiên cứu cho giảng viên sinh viên Bộ môn Kỹ thuật điều khiển biên tập giảng môn học truyền động điện Môn học chia chương: - Chương 1: Những khái niệm hệ truyền động điện Nội dung xây dựng cấu trúc hệ truyền động điện, đặc tính động điện, độ cứng đặc tính cơ, đặc tính máy sản xuất, phương trình động học truyền động điện - Chương 2: Đặc tính động điện Xây dựng phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập , kích từ nối tiếp, động điện không đồng bộ, động điện đồng bộ, nêu ảnh hưởng tham số đến đặc tính - Chương 3: Điều chỉnh tốc độ truyền động điện Vẽ sơ đồ nguyên lý, xây dựng phương trình đặc tính, đặc tính làm việc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập, động điện khơng đồng bộ, động điện đồng - Chương 4: Tính tốn chọn cơng suất động điện truyền động điện Nêu điều kiện chung để tính tốn chọn cơng suất động cho truyền động điện, chế độ làm việc truyền động điện, tính chọn kiểm nghiệm cơng suất động điện cho chế độ làm việc khác Với kinh nghiệm giảng dạy, kiến thức tích lũy nhiều năm, tác giả cố gắng biên tập nội dung môn học kiến thức nhất, cập nhật với tiến khoa học kỹ thuật, với thực tế sản xuất, hệ thống truyền động trang bị điện cho máy công nghiệp Các nội dung chi tiết chương trình bày từ đơn giản đến phức tạp, từ khâu đến tổng thể có câu hỏi ơn tập, tập giải mẫu, tập tự giải cuối chương, tạo điều kiện cho sinh viên tự học Phần cuối tập giảng có hướng dẫn thiết kế tính chọn hệ truyền động, tạo điều kiện cho sinh viên nghiên cứu thiết kế chuyên đề truyền động điện thực tế làm đồ án tốt nghiệp Tập giáo trình biên soạn theo hướng mở, kiến thức rộng tính ứng dụng biến đổi điện tử công suất điều chỉnh tốc độ máy công nghiệp Tập giáo trình dùng để làm tài liệu để giảng dạy hoàn chỉnh kiến thức cho bậc cao đẳng lên đại học, làm tài liệu nghiên cứu cán kỹ thuật trực tiếp sản xuất Trong trình biên soạn, tác giả cố gắng tham khảo nhiều nguồn tài liệu, cập nhật kiến thức điều khiển truyền động đại, trao đổi ý kiến chuyên môn với bạn đồng nghiệp, song hạn chế thông tin khả nên nội dung khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong thầy, giáo, bạn đọc đóng góp để nhóm tác giả hồn thiện tốt Nội dung đống góp xin giử môn Kỹ thuật điều khiển – Khoa điện trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam định Tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Cấu trúc chung phân loại 12 1.2 Khái niệm chung đặc tính động điện 13 1.3 Đặc tính máy sản xuất 14 1.4 Trạng thái làm việc truyền động điện 15 1.5 Qui đổi mômen cản , lực cản mơmen qn tính, khối lượng qn tính 17 1.6 Phương trình động học truyền động điện .20 1.7 Điều kiện ổn định tĩnh truyền động điện 21 CÂU HỎI ÔN TẬP, BÀI TẬP 17 CHƯƠNG ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN .19 2.1 Khái niệm chung 19 2.2 Đặc tính động chiều kích từ độc lập 20 2.2.1 Phương trình đặc tính 20 2.2.2 Xét ảnh hưởng tham số đến đặc tính 24 2.2.3 Cách vẽ đặc tính .27 2.2.4 Khởi động tính tốn điện trở khởi động 30 2.2.5 Đặc tính trạng thái hãm 36 2.3 Đặc tính động điện chiều kích từ nối tiếp 42 2.3.1 Phương trình đặc tính .43 2.3.2 Cách vẽ đặc tính .45 2.3.3 Khởi động xác định điện trở khởi động .47 2.3.4 Trạng thái hãm động chiều kích từ nối tiếp 48 2.4 Đặc tính động không đồng xoay chiều ba pha 52 2.4.1 Phương trình đặc tính .53 2.4.2 Ảnh hưởng tham số đến đặc tính .57 2.4.3 Cách vẽ đặc tính tự nhiên đặc tính biến trở .62 2.4.4 Khởi động cách xác định điện trở khởi động 65 2.4.5 Đặc tính trạng thái hãm 67 2.5.Đặc tính động đồng 77 2.5.1 Đặc tính động đồng 77 2.5.2 Khởi động hãm động đồng 82 CHƯƠNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 97 3.1 Các tiêu đánh giá chất lượng hệ thống truyền động điện 97 3.3.1 Sai số tốc độ .97 3.1.2 Dải điều chỉnh tốc độ 97 3.1.3 Độ trơn điều chỉnh tốc độ 98 3.1.4 Sự phù hợp đặc tính điều chỉnh đặc tính tải 99 3.1.5 Chỉ tiêu kinh tế 99 3.1.6 Các tiêu khác 99 3.2 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều 99 3.2.1 Khái niệm chung 99 3.2.2 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng 100 3.2.3 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động 104 2.4 Hệ thống truyền động máy phát - động chiều (F-Đ) 105 Cấu trúc hệ F-Đ 105 Các chế độ làm việc hệ F-Đ 106 Đặc điểm hệ F-Đ 108 3.2.5 Hệ thống khuếch đại từ - động (KĐT - Đ) 108 Khái niệm chung 108 Hệ thống KĐT - Đ dùng khuếch đại từ pha 111 Hệ thống KĐT - Đ dùng KĐT pha 112 Đặc tính hệ thống KĐT-Đ 112 Hệ thống KĐT-Đ có phản hồi, có chuyển dịch 113 3.2.6 Hệ thống chỉnh lưu – động điện chiều 114 Khái quát chung 114 2.Đặc tính hệ truyền động chỉnh lưu tiristo- động chiều……….156 3.Truyền động tiristo- động chiều (T-Đ) có đảo chiều quay………… 159 Tính chọn phần tử hệ thống T-Đ 129 Đặc điểm hệ thống T-Đ 132 3.2.7 Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động chiều (XA-Đ) 132 Điều chỉnh xung áp mạch đơn 132 Điều chỉnh xung áp đảo chiều 136 3.2.8 Ổn định tốc độ làm việc truyền động điện chiều 139 Khái quát chung 139 Điều chỉnh Eb theo dòng tải 140 Điều chỉnh Eb theo điện áp phần ứng 141 Điều chỉnh Eb theo tốc độ động 142 3.2.9 Hệ truyền động điều chỉnh tự động .144 Sơ đồ nguyên lý hệ CL-Đ tự động dùng khuếch đại tổng 144 Sơ đồ nguyên lý hệ CL-Đ tự động có điều chỉnh độc lập toạ độ kiểu nối tiếp 145 3.3 Điều chỉnh tốc độ động không đồng 146 3.3.1 Khái quát điều chỉnh tốc độ động không đồng xoay chiều pha 146 3.3.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi số đôi cực động 147 3.3.3 Điều chỉnh điện áp động .151 3.3.4 Điều chỉnh điện trở mạch roto 158 3.3.5 Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động không đồng 160 3.3.6.Điều chỉnh công suất trượt 195 3.4 Điều chỉnh tốc độ động đồng 202 3.4.1 Điều chỉnh tốc độ mômen .203 3.4.2 Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động đồng 206 BÀI TẬP VÀ CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 207 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 218 4.1 Khái niệm chung tính tốn chọn cơng suất động điện 218 4.2.Các chế độ làm việc truyền động điện 219 4.3.Chọn công suất động cho truyền động không điều chỉnh tốc độ 220 4.3.1 Chọn công suất động làm việc dài hạn 220 4.3.2 Chọn công suất động làm việc ngắn hạn 221 4.3.3 Chọn công suất động cho phụ tải ngắn hạn lặp lại .224 4.4 Tính chọn cơng suất động cho truyền động có điều chỉnh tốc độ 226 4.5 Kiểm nghiệm công suất động 228 4.6 Hướng dẫn trình tự bước thiết kế đồ án môn học truyền động điện 237 4.6.1 Khái quát chung 237 4.6.2 Trình tự bước thiết kế 282 CÂU HỎI ÔN TẬP .237 TÀI LIỆU THAM KHẢO 248 CHƯƠNG NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 CẤU TRÚC CHUNG VÀ PHÂN LOẠI Hệ thống truyền động điện tập hợp thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, phục vụ cho việc biến đổi lượng điện - gia công truyền tín hiệu thơng tin để điều khiển q trình biến đổi lượng Cấu trúc chung hệ truyền động điện, trình bày hình1.1, bao gồm phần chính: - Phần lực biến đổi động truyền động Các biến đổi thường dùng biến đổi máy điện (máy phát chiều, xoay chiều), biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa), biến đổi điện tử ( chỉnh lưu tiristo, biến tần tranzitor, thyristor) Động điện có loại: động chiều, xoay chiều đồng bộ, không đồng loại động điện đặc biệt (động bước, động servo AC, servo DC) - Phần điều khiển gồm cấu đo lường, điều chỉnh tham số công nghệ, ngồi cịn có thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ cơng nghệ cho người vận hành Đồng thời số hệ thống truyền động có mạch ghép nối với thiết bị tự động khác dây truyền sản xuất Hình 1.1 Mô tả cấu trúc chung hệ truyền động Trong đó: BBD - Bộ biến đổi; DC - Động truyền động; MSX – Máy sản xuất; RT – Bộ điều chỉnh cơng nghệ; KT - đóng cắt phục vụ công nghệ; R - Các điều chỉnh truyền động; K - đóng cắt phục vụ truyền động; VH - người vận hành; GN- mạch ghép nối Tuy nhiên, thực tế sản xuất, hệ thống truyền động có đầy đủ cấu trúc Cho nên phân loại hệ thống truyền động sau: - Truyền động không điều chỉnh: thường có động nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với tốc độ định - Truyền động điện có điều chỉnh: loại tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mô men, lực kéo truyền động điều chỉnh vị trí Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh truyền động nhiều động Ngoài tùy thuộc vào cấu trúc tín hiệu điều khiển ta có hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự truyền động điều khiển theo chương trình v.v 1.2 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mô men động Ta có đặc tính tự nhiên động cơ, động vận hành chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ) Trên đặc tính tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị ( M đm ,đm ) Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn nối thêm điện trở, điện kháng vào động Để đánh giá so sánh đặc tính cơ, người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính  tính:  M  (1-1) Trong M mơmen động cơ,  tốc độ động Độ cứng  có giá trị lớn ta có đặc tính cứng,  có giá trị nhỏ đặc tính mềm,    đặc tính tuyệt đối cứng Truyền động có đặc tính cứng tốc độ thay đổi mơ men biến đổi lớn Truyền động có đặc tính mềm tốc độ giảm nhiều mơ men tăng (xem hình.1-2) Hình 1.2 Độ cứng đặc tính Ví dụ hình vẽ đường đặc tính mềm so với đường đặc tính 1.3 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT Đặc tính máy sản xuất đa dạng Tuy phần lớn biểu diễn dạng biểu thức tổng quát:      M c  M co  M đm  M co   đm  (1-2) Trong đó: M co - mơ men ứng với tốc độ   M đm - mô men ứng với tốc độ định mức đm M c - mơ men ứng với tốc độ  Ta có trường hợp: -   , M c  M đm  const , cấu nâng hạ, băng tải, cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại (đường 1, hình 1-3a) ω ω (1) ω (2) ω c ®m Mc Mc (3) Mc M (4) M c0 M M c ®m Mc (2) (1) M c ®m b) a) Mc c) Hình 1.3 a) Dạng đặc tính số máy sản xuất: (1)   , (2)   1, (3)   ,(4)   1 ; b) Dạng đặc tính máy sản xuất có tính c) Dạng đặc tính máy sản xuất có tính phản kháng -   1, mơ men tỷ lệ bậc với tốc độ, thực tế gặp, loại lấy ví dụ máy phát điện chiều tải trở (đường 2, hình 1.3a) -   , mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ, đặc tính máy bơm, quạt gió (đường 3, hình 1.3a) -   1, mô men tỷ lệ nghịch với tốc độ, cấu máy dây, giấy, truyền động quay trục máy cắt gọt kim loại có đặc tính thuộc loại (đường 4, hình 1.3a) Ngồi ra, số cấu máy có đặc tính khác nhau, ví dụ: - Mơ men phụ thuộc vào góc quay M c  f ( ) mô men phụ thuộc vào đường M c  f (s) , thực tế máy cơng tác có pittơng, máy trục khơng có cáp cân có đặc tính thuộc loại - Mơ men phụ thuộc vào số vịng quay đường M c  f (, s) loại xe điện - Mô men cản phụ thuộc vào thời gian M c  f (t ) , ví dụ máy nghiền đá, quặng Trên hình 1.3b c biểu diễn đặc tính mơmen cản phản kháng mômen cản - Mô men cản (như cấu nâng hạ tải trọng) có đặc tính M c  const khơng phụ thuộc vào chiều quay (hình 1.3b) - Mơ men cản phản kháng luôn chống lại chiều quay mômen ma sát, mômen cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại v.v.v….(hình 1.3c) 1.4 TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Trong hệ thống truyền động điện, có q trình biến đổi lượng điện – Chính q trình biến đổi định trạng thái làm việc truyền động điện Ta định nghĩa: Dịng cơng suất điện Pđ có giá trị dương có chiều truyền từ nguồn đến động từ động biến đổi công suất điện thành công suất Pc  M  cấp cho máy sản xuất Cơng suất có giá trị dương mơ men động sinh có chiều quay với tốc độ quay Ngược lại, công suất điện có giá trị âm có chiều từ động nguồn, cơng suất có giá trị âm truyền từ máy sản xuất động mô men động sinh ngược chiều với tốc độ quay Mômen máy sản xuất gọi mô men phụ tải hay mô men cản Nó định nghĩa dấu âm dương, ngược lại với dấu mô men động Phương trình cân cơng suất hệ thống truyền động là: Pđ  Pc  P Trong : (1-3) Pđ : công suất điện Pc : công suất P : tổn thất công suất Tùy thuộc vào biến đổi lượng hệ mà ta có trạng thái làm việc động gồm: Trạng thái động trạng thái hãm, (xem bảng 1-1) - Momen chuyển cấp điện trở thời gian khởi động: M2= 1,2.Mc=1,2.74= 88Nm Vậy momen trung bình thời gian khởi động (coi không đổi) là: M Kđ  M  M 167  88   127,5 Nm  const 2 Để xác định thời gian trình độ lúc khởi động hãm, ta phải tính tốn momen qn tính hệ thống truyền động qui đổi trục động cơ, Jđ = 0,26Kgm2 , momen phận chuyển động quay lắp trục động Jq = 0,15Kgm2 , cần xác định thêm momen quán tính phận chuyển động thẳng, khối lượng xe tải trọng: Momen quán tính xe có tải trọng định mức qui đổi tốc độ động cơ: J x.qđ  V   0,916    (10000  10000)  (mđm  m0 )   1,9Kgm2  94 ,    đc  Momen quán tính xe hki chạy không tải qui đổi tốc độ động cơ: J xo.qđ  V   0,916    10000  mo    0,94Kgm2  94 ,    đc  Trong mđm = mo = 10000 kg khối lượng tải trọng định mức xe Vậy momen qn tính cảu tồn hệ thống truyền động là: Khi xe chạy có tải: J t  1,15( J đ  J q )  J x.qđ  1,15(0,26  0,15)  1,9  2,37Kgm2 Khi xe chạy không tải: J o  1,15( J đ  J q )  J xo.qđ  1,15(0,26  0,15)  0,94  1,42Kgm2 Trong hệ số 1,15 dùng để xét đến momen quán tính cặp bánh hộp giảm tốc Để tính thời gian khởi động hãm, ta sử dụng phương trình chuyển động viết dạng sia phân: M - Mc = J  t Trong  gia số tốc độ, khởi động   đm  hãm    đm , tương ứng với t thời gian khởi động thời gian hãm Do đó: - Thời gian khởi động hki xe chạy chiều tiến (có tải) t kđ  J t đm 2,37.98,9   4,4s M kđ  M c 127,5  74 - Thời gian khởi động xe chạy (không tải) 234 t kđ o  J đm 1,42.98,9   1,62s M kđ  M co 127,5  40 - Thời gian hãm máy (nhờ phanh khí) chạy chiều tiến (có tải) J t  đm 2,37.98,9   1,55s M ph M c 78,5  74 th  - Thời gian hãm máy chạy (không tải) t ho  J  đm 1,42.98,9   1,34s M ph  M co 78,5  40 Ta gọi tốc độ xe chạy thời gian khởi động hãm dừng tốc độ trung bình Vtb  Vđm Trong Vđm tốc độ độ xe tương ứng với tốc độ định mức động cơ: .D.nđm .0,35.945   0,96 m / phút 60.i 60.18 Vđm  - Vậy chiều dài quãng đường xe thời gian khởi động có tải là: l kđ  Vđm 0,96 t kđ  4,4  2,12m 2 - Chiều dài quãng đường xe thời gian khởi động không tải là: l kđ o  Vđm 0,96 t kđ  1,62  0,78m 2 - Tương tự, chiều dài quãng đường xe thời gian hãm dừng có tải khơng tải là: lh  Vđm 0,96 t h  1,55  0,75m 2 l h.o  Vđm 0,96 t ho  1,34  0,65m 2 - Chiều dài quãng đường xe đmchạy với tốc độ ổn định hki có tải ( chiều tiến): lođ  l  (l kđ  l h )  50  (2,12  0,75)  47,13m - Chiều dài quãng đường xe chạy với tốc độ ổn định không tải (chiều về): lođ o  l  (l kđđ  l ho )  50  (0,78  0,65)  48,57m Tốc độ động phụ thuộc vào phụ tải trục theo đặc tính Do tốc độ xe chạy tiến chạy khác Nếu coi đoạn đặc tính cơng tác động đường thẳng, ta sử dụng phương trình đặc tính dạng tuyến tính M M đm s để xác định độ trượt tương ứng với momen có tải Mc s đm không tải Mco, từ xác định tốc độ động tốc độ xe chạy chiều tiến chạy 235 Độ trượt tốc độ động xe chạy chiều tiến (khi có tải Mc): Mc 74 sđm  0,055  0,0537 M đm 76 sc  nc  n1 (1  sc )  1000(1  0,0537)  946 vòng / phút Độ trượt tốc độ động chạy ( không tải Mco) sco  M co 40 sđm  0,055  0,029 M đm 76 nco  n1 (1  sco )  1000(1  0,029)  971vòng / phút Tương ứng tốc độ xe chạy tiến chạy là: Vc  .D.n c .0,35.946   0,96 m / s 60.i 60.18 Vco  .D.n co .0,35.971   0,99 m / s 60.i 60.18 Thời gian xe di chuyển với tốc độ ổn định có tải (chạy chiều tiến) va khơng tải (chạy về): tc  lođ 47,13   49s Vc o,96 t co  lođ o 48,57   49s Vco o,99 Từ giá trị momen thời gian tính tốn trên, ta vẽ đồ thị phụ tải toàn phần + Kiểm nghiệm động theo điều kiện phát nóng Thời gian đóng điện tương đối lấy đồ thị phụ tải toàn phần là: TĐ%   t t lv lv   to 100%  (t kđ  t c  t kđđ  co ).100% t kđ  t c  t kđđ  t co   t 01  t 02  t h  t ho  104 100%  29,2% 104  253 Áp dụng phương pháp momen đẳng trị, có xét đến tượng tản nhiệt thời gian khởi động động chạy với tốc độ thấp, ta lấy hệ số tản nhiệt  = 0,5 M đt   M kđ2 (t kđ  t kđ o )  M c2 t c  M co2 t co  (t kđ  t kđđ )  t c  t co 127,52 4,4  1,62  74 2.49  402.49  66,3Nm 0,54,4  1,62  49  49 236 Qui đổi mơmen từ hệ số đóng điện TĐ% = 29,2% thời gian động điện tương đối qui chuẩn động TĐ%qc = 25%, ta có: M đt.qc  M đt TĐ 29,2  66,3  71,7 Nm TĐqc 25 So với mômen định mức động Mđm = 76 Nm, ta thấy: Mđm > Mđt.qđ Do động chọn thỏa mãn điều kiện phát nóng 4.6 HƯỚNG DẪN TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 4.6.1 Khái quát chung Động điện ngày dùng nhiều để truyền động cho cấu máy sản xuất, cho dây tryền sản xuất tự động cơng nghiệp Để hồn chỉnh hệ thống thiết kế gồm có : Động chấp hành; thiết bị điều khiển ta phải nắm bắt đầy đủ yêu cầu q trình cơng nghệ cụ thể như: - Số liệu phụ tải - Phạm vi điều chỉnh tốc độ - Đặc điểm truyền động dùng động điện ( Một chiều, xoay chiều, đặc biệt) Một số hệ thiết kế cho biết trước thông số động yêu cầu phương án chọn biến đổi , phương án điều chỉnh tốc độ - Các tiêu chất lượng ( sai lệch tĩnh , lượng điều chỉnh, tổn thất lượng điều chỉnh) 4.6.2 Trình tự bước thiểt kế Dựa vào sơ đồ động học hệ truyền động đồ thị phụ tải tính qui đổi mơ men cản, lực cản, mơ men quán tính, khối lượng quán tính trục động Tính chọn cơng suất động ( Một chiều; Xoay chiều) theo chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại theo yêu cầu công nghệ Thiết kế tính chọn biến đổi ( Bộ chỉnh lưu có điều khiển; Bộ biến đổi tần số), phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải máy Khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống - Lập sơ đồ điều khiển hệ thống - Khảo sát độ ổn định hệ thống - Tính sai lệch tĩnh sai lệch động hệ thống - Tìm hàm điều chỉnh mạch vòng điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh mạch vòng điều chỉnh dòng điện để đảm bảo chất lượng yêu cầu 237 4.6.3 Thiết kế hệ truyền động chiều dùng chỉnh lưu - Động điện chiều kích từ độc lập : * Tính chọn thyristor Tính chọn thyristor dựa vào yếu tố dòng tải, sơ đồ chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc, thơng số van tính đến sau - Điện áp ngược lớn mà tiristor phải chịu: Ung max = 6.U2 max - Phương trình cân điện áp có tải: Udo = Ud + Uv + Udn + Uba Uv = 1,8 (V) : sụt áp van Udn = 0: sụt áp dây nối Uba = % 220 =13,2(V) = Ur + Ux : sụt áp điện trở điện kháng MBA Thay số ta có : Ud0 = Ud +UV +Udn +Uba =220+1,8+13,2=235 (V)  U2=  Udo Udo 235    200,8 (V) 6/2π 1,17 1,17 Ung max = 6.U2 = 6.200,8 = 491,86 (V)  Ung van = Kdt.Ung max = 1,8 491,86= 885,34 (V) Kdt = 1,8 : hệ số dự trữ điện áp - Dòng điện làm việc van là: Ilv = 1 Id = 24,06= 8,02 (A) 3 Chọn điều kiện làm việc van có cánh toả nhiệt đầy đủ diện tích toả nhiệt, khơng có quạt đối lưu khơng khí, với điều kiện dịng điện định mức van cần chọn : Itbv = ki Ilv Ki - hệ số dự trữ dòng điện, chọn Ki = 3,2 Itbv = ki Ilv = 3,2 8,02= 25,66(A) 238 Từ thơng số Ungv Ilv ta chọn thyristor có kí hiệu sau 36RAC100A Mỹ sản xuất Ký hiệu A36RC1 Ung Iđm Ipik max max max (V) (A) (A) 1000 80 1000 Ig max 70m Ug Ih Ir U tcm max max max max max (v) (A) (A) (V) (s) 2,5 20m 2m 1,8 30  du/dt Tmax V/  o 500 00A Trong đó: Ung - Điện áp ngắn mạch cực đại Iđm - Dòng điện làm việc cực đại Ipik - Dòng điện đỉnh cực đại Ig - Dòng điện xung điều khiển Ug - Điện áp xung điều khiển Ih - Dòng điện tự giữ Ir - Dòng diện rò U max - Sụt áp tiristor trạng thái dẫn du/dt - Tốc độ biến thiên điện áp Tcm - thời gian chuyển mạch ( mở khoá) Tmax - Nhiệt độ làm việc cực đại * Tính tốn MBA chỉnh lưu Tính thông số Chọn MBA pha, trụ sơ đồ đấu dây  / Y làm mát khơng khí tự nhiên - Điện áp pha sơ cấp MBA: U1= 380(V) - Điện áp pha thứ cấp MBA: U2= Udo Udo 235    200,8 V  6/2π 1,17 1.17 - Công suất tối đa tải: Pd max  U I d  235.24,06  5654,1(w) - Công suất biến áp nguồn tính: 239 c C 125 Sba  K s Pd max Sba công suất biểu kiến máy biến áp (KVA) Ks - hệ số công suất theo sơ đồ mạch lực ( Ks=1,05) - Công suất máy biến áp: Sba  Ks Pd max  1,05.5,6541  5,94(kva) - Dịng điện hiệu dụng phía thứ cấp MBA: I  Khd I d Khd hệ số dòng điện hiệu dụng K hd  I2 = 3 24,06 = 13,95(A) - Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MB: I1=Kba I2 = U2 200,8 I2 = 13,95 = 7,37 (A) U1 380 * Tính tốn sơ mạch từ (xác định kích thước mạch từ ) Tiết diện sơ trụ: Qfe=k Sba m.f k hệ số phụ thuộc phương thức làm mát (chọn k = 6) m - Số trụ MBA , m=3 f - Tần số nguồn xoay chiều f=50(hz) Thay số: Qfe = 5940 3.50 = 37,76(cm2 ) - Đường kính trụ: d  4.Qfe 4.37,76   6,94 (cm) π π Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn: d=7,5 (cm) Chọn loại thép 330 thép có độ dày 0,5mm Chọn sơ mật độ từ cảm trụ BT=1(T) * Tính tốn dây quấn 240 - Số vịng dây pha sơ cấp MBA: W1= U1 380   453,31 (vòng) 4,44.f.QfeBT 4,44.50.37,76.10-4.1  W1= 453 (vòng) 453 vòng chia thành lớp (5.78 + 63 vòng ) - Giữa hai lớp đặt lớp giấy cách điện dày 0,1 mm - C họn ống quấn dây làm vật liệu cách điện có bề dày S01 = mm - Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a01 = 1cm - Đường kính ống cách điện là: Dt = d + a01-2.S01 = 9,3 (cm) - Đường kính cuộn sơ cấp: D11 = Dt +2.S01 = 9,5 (cm) - Bề dày cuộn sơ cấp : Bd1 = 5,4 (mm) = 0,54 (cm) - Đường kính ngồi cuộn sơ cấp: Dn1 = D11 + 2.Bd1 = 10,58 (cm) - Đường kính trung bình cuộn sơ cấp : Dtb = (D11 + Dn1 )/2 = 10,04(cm) - Chiều dài dây quấn sơ cấp : l1  w1 Dtb1  453. 10, 04  14281, 09  cm  142,81 m - Số vòng dây pha thứ cấp MBA: W2  U2 200,8 W1  453,21  239,48 (vòng) U1 380 239 vòng chia thành lớp (3.75 + 14 vòng ) - Đường kính cuộn thứ cấp: Dt2 = Dn1 + 2.a12 = 10,58 + 2.1 = 12,58(cm) - Chọn bề dày cách điện lớp dây cuộn thứ cấp : cd22= 0,1(mm) - Bề dầy thứ cấp: Bd2 = ( a2+cd22) n12= (0,116 +0,01).4 = 0,504 (cm) - Đường kính ngồi cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 12,58 + 2.0,504 = 13,084 (cm) - Đường kính trung bình cuộn thứ cấp : Dtb2  Dt2 +Dn2 12,58+13,084   12.832(cm) 2 - Chiều dài dây quấn thứ cấp : l2 = .W2.Dtb2 =  239 12,832 = 9629,9(cm) = 96,29(m) 241 Chọn sơ mật độ dòng điện MBA với dây dẫn đồng loại MBA khô J =(2  2,75) A/ mm chọn J=2,75A/mm - Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA: S1= I1 7,37 = =2,68 (mm2 ) J1 2,75 Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B, chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn S1 = 2,8 m2 Kích thước dây có kể cách điện là: S1cd = a1 b1 = 0,8 2,63 (mm mm) * Tính lại mật độ dịng điện cuộn sơ cấp J1= J1  I1 7,37   2,63 (A/mm2 ) S2 2,8 - Tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA S2  I2 13,95   5,07 (mm2 ) J2 2,75 Chọn dây tiết diện chữ nhật, cách điên cấp B, chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 =3,07 (mm2) Kích thước dây có kể cách điện là: S2cd = a2 b2= 1,16 2,83 (mm mm) *Tính lại mật độ dịng điện cuộn thứ cấp J2  I2 13,95   2,75(A/mm2 ) S2 5,07 Tính thơng số máy biến áp - Điện trở cuộn sơ cấp MBA 75 C R1 = ρ l1 142,81(m) = 0,02133 = 1,14 (Ω) S1 2,68(mm2 ) ρ = 0,02133(Ωmm2/m) - Điển trở cuộn thứ cấp 75 C R2 = ρ l2 96,29(m) = 0,02133 = 0,41 () S2 5,07(mm2 ) - Điện trở máy biến áp quy đổi thứ cấp: 242 R ba = R +R1.( W2 239 ) = 0,41+1,14.( ) = 0,73(Ω) W1 453 - Sụt áp điện trở biến áp: ΔUr = Rba Id = 0,73.24,06=17,49 (V) - Điện kháng MBA quy đổi thứ cấp: Xba =8.π2 (W2 )2.( = 8π2 (329)2.( B +B r ).(a + d1 d2 ) ω 10-7 12 hqd 6,29 0,54+0,504 -2 ).(0,01+ 10 ).314.10-7 = 1,02 (Ω) 22,34 r - Bán kính cuộn dây thứ cấp [m2] h - Chiều cao cửa sổ lõi thép [m] a12- Bề dầy cách điện cuộn dây với - Điện cảm MBA quy đổi thứ cấp: Lba  Xba 1,02   3,25.10-3 [H] = 3,25[mH] ω 314 - Sụt áp điện kháng MBA: 3 ΔUx = Xba Id = 1,02.24,06 =23,45 (V) π π - Sụt áp MBA: ΔUba = ΔUr2 +ΔUx2 = 17,492 +23,452 = 29,25 (V) * Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu η= Ud Id 220.24,06 = = 96,42% S 5940 * Chọn máy phát tốc Máy phát tốc thiết bị nối đồng trục với động ta chọn máy phát tốc có thơng số sau: Mã hiệu nđm (v/ph) Pđm (w) Iđm (A) Uđm (V) ZYS231/110 1900 23,1 0,01 110 243 * Tính chọn thiết bị bảo vệ - Bảo vệ dòng điện Bảo vệ ngắn mạch q tải dịng điện dùng Aptơmat cầu chì Nguyên tắc chọn thiết bị theo dòng điện với Ibv = (1,11,3)Ilv Dòng bảo vệ ABảo vệ nhiệt độ cho van thyristor Khi van làm việc dịng điện chạy qua van nên có sụt áp van, có tổn hao công suất P.Tổn hao sinh nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van phép làm việc nhiệt độ cho phép TCP Nếu nhiệt độ cho phép van bị phá hỏng Do để van bán dẫn làm việc an tồn khơng bị chọc thủng nhiệt ta phải chọn thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý - Tổn thất công suất thyristor: ΔP  ΔU.I lv  1,8.8,02=14,436 (W) - Diện tích bề mặt toả nhiệt: Stn = ΔP Km τ Trong : ΔP - Tổn hao cơng suất (W)  - Độ chênh lệch so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường : Tmt =400C nhiệt độ làm việc cho phép thyrsitor Tcp =1250C Chọn nhiệt độ cánh toả nhiệt : Tlv =700C Ta có: T  Th -Tmt  70 - 40  300C Km - Hệ số toả nhiệt đối lưu xạ Chọn Km = [W/m C ]  Stn  14,436  0,0802(m2 ) 6.30 * Bảo vệ dòng điện cho van Aptomat dùng để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ tải ngắn mạch thyristor, ngắn mạch đầu biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA, ngắn mạch chế độ nghịch lưu Chọn aptomat có: 244 Idm 1,1.I1  1,1.7,37  8,107 (A) Uđm = 220 (V) có tiếp điểm chính, đóng cắt tay nam châm điện Chỉnh định dòng điện ngắn mạch: Inm = 1,2 2,5 I1=1,2 2,5 7,37 = 22,11 (A) Dòng tải : Iqt = 1,5 I1 = 1,5 7,37= 11,055 (A) Dùng cầu chì dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch cho thyiristor, ngắn mạch đầu chỉnh lưu - Nhóm 1CC Dịng định mức dây chảy nhóm 1CC: I1cc=1,1.I2 =1,1.13,95 =13,345 (A) - Nhóm 2CC Dịng định mức dây chảy nhóm 2CC: I2CC = 1,1 Ilv = 1,1 8,02 = 8,822 (A) - Nhóm 3CC Dịng định mức dây chảy nhóm 3CC: I1cc = 1,1Id = 1,1.24,06 = 24,466 (A) Vậy chọn cầu chì có dây chảy : với nhóm 1CC loại 15(A) với nhóm 2CC loại 10(A) với nhóm 3CC loại 25(A) Bảo vệ điện áp cho van Do q trình đóng cắt thyristor thực cách mắc R,C song song với thyristor Khi có chuyển mạch điện tích tích tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn, biến thiên nhanh chóng gây sức điện động cảm ứng lớn điện cảm làm cho điện áp anốt katốt thyristor Khi có mạch R,C mắc song song với thyristor tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên thyristor không bị áp 245 C1 R1 R2 T C2 R2 R2 C2 C2 Theo kinh nghiệm chọn: R1 = (3050)   ta chọn R1 = 50 () C1 = (0,22  0,3) F  ta chọn C1 = 0,25 F - Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện Ta mắc mạch R,C hình vẽ, nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần nằm lại hoàn toàn điện trở đường dây Trị số R,C chọn theo kinh nghiệm R2 = 15, C2 = 4F *Tính tốn thơng số mạch điều khiển - Việc tính tốn mạch điều khiển tính từ tầng khuếch đại xung ngược trở lên Các bước thiết kế mạch điều khiển tham khảo tài liệu điện tử cơng suất CÂU HỎI ƠN TẬP I.Câu hỏi ơn tập: 2.2 Hãy nêu điều kiện để chọn công suất động cho truyền động điện 2.3 Nêu chế độ làm việc chế độ làm việc truyền động điện 2.4 Hãy trình bày phương pháp tính chọn công suất động dài hạn cho hệ truyền động điện 2.5 Hãy trình bày phương pháp tính chọn cơng suất động ngắn hạn cho hệ truyền động điện 2.6 Hãy trình bày phương pháp tính chọn cơng suất động ngắn hạn lặp lại cho hệ truyền động điện 2.7 Nêu yêu cầu để chọn cơng suất động cho truyền động có điều chỉnh tốc độ 2.8 Trình bày nội dung kiểm nghiệm phát nóng động phương pháp tổn thất trung bình 246 2.9 Trình bày nội dung kiểm nghiệm phát nóng động theo đại lượng dòng điện đẳng trị 2.10 Trình bày nội dung kiểm nghiệm phát nóng động theo công suất đẳng trị II Bài tập: 2.10.2 Cho hệ truyền động chiều dùng động điện chiều kích từ độc lập có phụ tải thay đổi theo chu kỳ Hãy kiểm nghiệm phát nóng động theo điều kiện phát nóng tải Cho biết phụ tải thay đổi theo thời gian : P = 65KW, t1 = 10s; P2 = 40 KW, t2 = 5s P3 = 30 KW, t3 = 15s: P4 = 20 KW, t4 = 20s thời gian chạy không tải t0 = 5s, P0 = 5KW Động Pđm= 55KW; nđm = 1500 vòng/phút; Uđm = 220V; đm = 0,9 ; hệ số tải M = 2.10.3 Một máy công tác làm việc chế độ ngắn hạn lặp lại với phụ tải Mc = 150Nm, thời gian làm việc : tlv = 35s, thời gian nghỉ tng = 85s Động truyền động có cơng suất Pđm = 12KW; Uđm = 380/220V, nđm = 950 vòng/phút, hệ số tải M = 2,3; hệ số đóng điện tiêu chuẩn TC% = 25% Hãy kiểm nghiệm cơng suất động theo điều kiện phát nóng q tải 2.10.4 Hãy tính chọn động khơng đồng bộ, cho truyền động máy cắt gọt kim loại có chế độ làm việc dài hạn phụ tải dài hạn biến đổi: P1 = KW; t1 = 2s; P2 = 6KW, t2 = 3s, P3 = KW, t3 = 5s, P4 = KW, t4 = KW, t4 = 2s, tốc độ định mức máy sản xuất u cầu 1410 vịng/phút 2.10.5 Hãy tìm cơng suất cần thiết để nâng thang máy có tải trọng G = 1,5 trường hợp : - Thang máy làm việc với đối trọng - Thang máy khơng có đối trọng - Biết hiệu suất cấu thang máy  = 0,5 247 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà nội năm 1996 Bùi Đình Tiếu – Phạm Duy Nghi- Nguyễn Dư Xứng Cơ sở truyền động điện tập I, II- Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà nội năm 1974 Nguễn Bính Điện tử cơng suất – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà nội năm 1982 Bùi Đình Tiếu Truyền Động điện – Nhà xuất giá dục năm 2004 Nguyễn Phùng Quang Điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà nội năm 1996 Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Nguyễn Văn Liễn – Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện – Nhà xuất khoa học kỹ thuật năm 1996 Vũ Gia Hanh – Trần Khánh Hà – Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu Máy điện I, II – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà nội năm 1998 248