Tài liệu Tổng quan về các hệ truyền động một chiều docx

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU I. Đăc tính cơ của động cơ điện một chiều I.1. Khái quát về động cơ điện một chiều Hiện nay, trong công nghiệp đều đang sử dụng điện xoay chiều là chủ yếu vì kết cấu đơn giản, giá thành hạ. Tuy nhiên nhược điểm là không dùng được những phương pháp và thiết bị đơn giản để điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng và bằng phẳng hơn nữa tiêu thụ công suất lại lớn làm hệ số cosФ của lưới điện thấp. Trong khi động cơ điện một chiều thể hiện tính ưu việt của nó hơn hẳn. Do đó, máy điện hiện đại đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cơ cấu nâng hạ, c ầu trục, cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…sẽ sử dụng động cơ điện một chiều. Động cơ điện 1 chiều gồm: Động cơ điện một chiều kích từ động lập và kích từ song song. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn h ợp I.2. Khái niệm về đặc tính cơ Đặc tính cơ của động cơ điện là mối quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ: ω = f(M). Phân loại: * Ta có đặc tính cơ tự nhiên nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức, và không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ ), trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị M đm , ω đm * Ta có đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ (U ≠ U đm hoặc Rp ≠ 0 hoặc Φ ≠ Φ đm ) Để đánh giá và so sánh đặc tính cơ ta có khái niệm độ cứng đặc tính cơ β đợc tính bằng sai lệch ΔM so với Δω β = ω Δ ΔM - Đặc tính cơ tuyệt đối cứng β = ∞: Khi mômen thay đổi thì tốc độ không thay đổi, có ở động cơ điện xoay chiều đồng bộ. - Đặc tính cơ cứng β lớn: Khi mômen thay đổi thì tốc độ ít thay đổi, có ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU - Đặc tính cơ mềm β nhỏ: Khi mômen thay đổi thì tốc độ thay đổi nhiều, có ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. H.1.1. Độ cứng đặc tính cơ Trong đó: (1): đặc tính cơ tuyệt đối cứng, (2): đặc tính cơ cứng, (3): đặc tính cơ mềm. Với động cơ điện một chiều, ngoài đặc tính cơ ta còn dùng đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện: ω = f(I). Tốc độ cơ bản của động cơ điện một chiều kích từ độc lập và h ỗn hợp là tốc độ không tải lí tởng ω 0 , với động cơ kích từ nối tiếp là ω đm . Trị số điện trở cơ bản: R R= dm dm I U I.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi khi mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ gọi là động cơ kích từ song song. *Sơ đồ nguyên lí: ®−êng3 ®−êng2 ®−êng1 ω Δω 2 Δω 1 M CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU Hình 1.2. Động cơ một chiều kích từ Hình 1.3. Động cơ một chiều kích từ song song độc lập Trong sơ đồ : Đ: động cơ R f , R kt : điện trở phụ phần ứng động cơ, điện trở kích từ U ư , U kt : điện áp phần ứng, điện trở kích từ Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ gọi là động cơ kích từ độc lập. I.3.1. Phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch kích từ và mạch phần ứng được mắc vào hai nguồn điện một chiều độc lập với nhau khi đó ta có động cơ kích từ độc lập. Đặc tính cơ được biểu thị bằng mối quan hệ giữa tốc độ quay và mômen n = f(M). Theo sơ đồ H.1.2 va H.1.3, có thể viết phương trình cân bằng điệ n áp như sau: U = E + (R +R f )I ( 1.1) Trong đo: +U :điện áp phần ứng, V +E :sức điện động phần ứng, V +R :điện trở phần ứng, Ω +R f :điện trở trong mạch phần ứng, Ω +I :dòng điện mạch phần ứng, A. Mặt khác, sức điện động phần ứng động cơ đợc xác định theo biểu thức sau: § CKT R kt U ö I kt I R f § R f R kt CKT U kt U ö I I kt CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU E = a pN Π2  (1.2) Trong đó: +p : số đôi cực từ chính +N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng +a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng +Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ, W b +ω: tốc độ góc, rad/s K= a pN Π2 :hệ số cấu tạo của động cơ (1.1) và (1.2) => KΦω = U –I.(R+ R f ) ta suy ra : Phương trình đặc tính cơ điện: ω = f(I) ω = - I ư (1.3) Mặt khác, mômen điện từ của động cơ được xác định bởi: M đt = K.Φ. I. (1.4) => I = ΦK M dt Phương trình đặc tính cơ: ω = f(M) ω = - M đt (1.5) Dạng đồ thị: Điện áp phần ứng đợc bù đủ, từ thông Φ = const, thì phương trình đặc tính cơ (điện) là tuyến tính. Đồ thị là những đường thẳng. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU Hình 1.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Hình 1.5. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đồ thị trên ta thấy : Khi I ư = 0 (M = 0) => ω = ω 0 ( ω 0 : tốc độ không tải lý tưởng của động cơ ) Khi ω 0 = 0 => I ư = I nm , Và M = KΦI nm , I nm , M nm gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch Phơng trình đặc tính (1.5) đợc viết ở dạng: ω = ω 0 – Δω (1.6) (Δω = M đt :thông số đánh giá về độ cứng của đặc tính cơ ) H.1.6. Độ sụt tốc độ ứng với giá trị của mômen Nhận xét: Δω M ω ω 0 M M c M nm ϖ ϖ ®m ϖ 0 ϖ 0 I nm I c I ϖ ϖ ®m CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU - Khi mômen của phụ tải tăng từ 0 đến M đm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω 0 về ω đm - Ứng dụng: trong động cơ tàu điện, máy mài… I.3.2. Phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng Sơ đồ nguyên lí động cơ một chiều kích từ nối tiếp được vẽ trên H1.7. Vì dòng kích từ cũng là dòng phần ứng nên từ thông của động cơ biến đổi theo dòng điện phần ứng. Phương trình đặc tính cơ (1.5) được viết ở dạng: - Phương trình đặc tính cơ: M'.k.k U =ω - Phương trình đặc tính cơ điện: u I'.k.k U =ω Trong đó : k’ : hệ số tỉ lệ Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.7. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp U R f § CKT Ikt CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU Dạng đồ thị : Hình 1.8. Đặc tính cơ Hình 1.9. Đặc tính cơ điện * Nhận xét : - Khi Mc = 0 (Ic = 0 ) tốc độ động cơ vô cùng lớn. Do vậy, động cơ không thể hoạt động trong tình trạng không tải vì khi đó sẽ gây hại cho hệ truyền động của động cơ. - Từ thông phụ thuộc vào dòng phần ứng, khi tải tăng không ảnh hưởng đến sụt áp của lưới điện. - Ứng dụng: Ở máy nâng vận chuyển, máy cán… Do động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp làm việc quá tải và yêu cầu mômen lớn. II. Ảnh hưởng điện áp phần ứng đối với động cơ điện một chiều Từ phơng trình đặc tính cơ (1.5) ω = - M đt (1.5) Ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ Φ, điện áp phần ứng U và điện trở phần ứng động cơ II.1. ảnh hưởng của điện trở phần ứng R Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng với các cấp điện trở khác nhau. Giả thiết: U ư = U đm = const; Ф = Ф đm = const => ω 0 = const Độ cứng β = var M c M ϖ ϖ ®m ϖ ϖ ®m II c CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU R f1 < R f2 < R f3 < R f4 R f1 = 0: Ứng với đường đặc tính cơ tự nhiên. R f2 ; R f3 ; R f4 : Các cấp điện trở ứng với đường đặc tính cơ nhân tạo. Hình 1.10. Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều * Nhận xét: Khi R f lớn, β càng nhỏ, đặc tính cơ càng dốc nên tốc độ càng giảm đồng thời I nm và M nm cũng giảm. Do vậy, ta sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản. II.2. ảnh hởng của từ thông Ф đm < Ф 1 < Ф 2 Giả thiết : U ư = U đm = const; R ư = const Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I kt động cơ. => ω 0 = var Độ cứng β = var Hình 1.11. Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ở những từ thông khác nhau * Nhận xét : Khi giảm từ thông thì ω 0 tăng dẫn đến β giảm. Do đó, đường đặc tính cơ mềm đi.Vậy khi giảm từ thông Ф thì tốc độ động cơ tăng lên Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông: ϖ ϖ 0 M M ®m R f1 R f2 R f3 R 4 0 M M ®m Φ 2 ϖ 0 ϖ 0 ϖ 2 ϖ 1 Φ 1 Φ ®m CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU Dòng điện ngắn mạch I nm = var Mômen ngắn mạch M nm = K.I nm .Ф = var. II.3. ảnh hưởng của điện áp phần ứng U đm > U 1 > U 2 > U 3 Giả thiết : Ф = Ф đm = const; R ư = const => ω 0 = var Độ cứng β = const Hình 1.12. Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ở những điện áp trên phần ứng khác nhau * Nhận xét : Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ (giảm điện áp phần ứng) ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. Khi tăng điện áp phần ứng, động cơ sẽ dễ bị cháy. Khi giảm U đc < U đcđm thì I nm , M nm giảm và tốc độ động cơ cũng giảm với một phụ tải nhất định (M đc =const). Công suất P đ tỷ lệ với tốc độ không tải  đ giảm Tốc độ không tải giảm:  0 = dm K U Φ ,  = 2 )( ΦK R u .M = const Do vậy, việc giảm điện áp phần ứng được sử dụng để giảm áp và cho ra những tốc độ cơ bản III. Các phương pháp điều chỉnh động cơ điện một chiều III.1. Phương pháp chỉnh lưu III.1.1. Chỉnh lưu bán dẫn M ®m M U ®m U 1 U 2 U 3 0 ϖ ϖ 0 ϖ 1 ϖ 2 ϖ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU Trong hệ truyền động CL- Đ, bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có suất điện động E đ phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển. Chỉnh lu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà dùng các sơ đồ chỉnh lu thích hợp. Ta có các sơ đồ chỉnh lưu nh sau: + Số pha: 1 pha, 3 pha …. + Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng và không đối xứng + Số nhịp: số xung áp đập mạch trong th ời gian một chu kì điện áp nguồn. + Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [] dd IU , . + Chế độ năng lợng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc + Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn. Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào tính chất của tải, trong truyền động điện tải thờng là cuộn kích từ (L - R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L -R- E). Để tìm hiểu ho ạt động của hệ CL-Đ ta phân tích một sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha. Ở chế độ dòng liên tục: Khi dòng điện chỉnh lưu i d là liên tục thì có thể dựng được đồ thị các quá trình dòng điện và điện áp. Suất điện động chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình của suất điện động chỉnh lưu được tính như sau: E d = Π 2 p ∫ Π + p m dU 2 2 .sin. α α θθ = E d0 .cos  =  e ,  = 0 – ( p Π − Π 2 ), E d0 = m U p p 2 . . sin. Π Π . Trong đó :  e :tần số góc của điện áp xoay chiều : góc mở van tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên  0 : góc điều khiển tính từ thời điểm SĐĐ xoay chiều bắt đầu d- ương p: số xung áp đập mạch trong một chu kì điện áp xoay chiều. [...]... điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện phụ tải Trong các hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều động cơ, do đó bộ biến đổi xung áp dùng để cấp nguồn cho các động cơ một chiều kích từ độc lập cần đảo chiều quay, hoặc trong các cơ cấu nâng hạ băm xung để thay đổi tốc độ Các van IGBT T1 dến T4 để khóa không tiếp điểm Các điôt đệm D0 đến D4 để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện... chảy theo chiều cũ, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh, dới tác dụng của sđđ động cơ mà các van tiristo sẽ dẫn dòng trong thời gian nủa chu kì âm của điện áp lưới Góc pha của dòng điện xoay chiều lớn hơn Π , bộ biến đổi làm việc ở chế độ 2 nghịch lưu phụ thuộc, biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều, CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU cùng tần số lưới và trả về lưới điện... điện áp phụ tải sẽ là nhỏ nhất * Đặc tính cơ: là các đường thẳng song song nhau ở cả 4 góc phần t của mặt phẳng [ , M] ω T1 T2 D2 D1 M T4 T3 D4 H.1.16 Đặc tính cơ của bộ biến đổi xung áp xoay chiều H1.17 bộ biến đổi đảo chiều D3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU U1 t U4 t U2 t U3 Ut t t t t H1.18 Biểu đồ xung trong các bộ biến đổi đảo chiều ... Imax = Imin = UN − E R CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU Nếu thời gian thông của khoá S giảm đến một giá trị tới hạn nào đó tđ = tđgh thì dòng điện Imin = 0 và hệ thống sẽ làm việc ở trạng thái biên giới chuyển từ chế độ dòng điện liên tục sang gián đoạn III.2.2 Xung áp đảo chiều loại kép: Với bộ biến đổi công suất trung bình ta dùng khoá điện tử là các bóng dẫn lưỡng cực IGBT Khi... CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU Nguyên lí điều chỉnh xung áp (XA - Đ), loại A (bộ băm xung loại A).Trong đó điện áp và dòng điện động cơ uđ , iđ chỉ có giá trị dương Khi khoá S thông, ta có uđ =un; i = in Khi khoá S ngắt, in = 0; uđ = 0 và i = id0 Do tác dụng duy trì dòng của điện cảm L Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng Uđ , I va do đó sđđ E của động cơ khi... 5 U 2a t 6 t 7 t ϖt 8 2π p λ i 0 ϖt H1.14.Đặc tính điều chỉnh và đồ thị thời gian Nếu góc dẫn của van là thì có thể tính được thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lưu, chính là thành phần sinh mômen quay của động cơ: CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU λ p p ⎡ λ λ⎞ λ ⎤ ⎛ I= ∫ id dθ = 2ΠR ⎢U 2m sin 2 sin⎜α 0 + 2 ⎟ − 2 E ⎥ 2Π 0 ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ Còn giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu... sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua T4 và D2 (iT4 = iD2 = it) Quá trình này tạo ra tích luỹ năng lượng trong CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU điện cảm và khi T4 bị khoá thì UAB > E và quá trình lặp lại như ban đầu Mặc dù dòng tải đổi chiều, nhưng có sự tham gia của T4 và D4 vào quá trình làm việc nên trong khoảng thời gian t1 đến T, điện áp tải (UAB luôn = 0) Do đó,...CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU c b a U2a U2b U2c ~ ~ ~ E + Ed § L - R L H.1.13 Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia 3 pha Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế (H.1.21) did U2m sin( + 0) =E +R.id... bên phải của mặt phẳng toạ độ, do các van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều 2 Khi tăng góc điều khiển từ 0 đến Π bộ biến đổi làm việc ở chế 2 độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm việc ở chế độ động cơ nếu E còn dương và chế độ hãm ngược nếu E đổi chiều 3 Khi tăng góc điều khiển từ Π đến 2 max thì Ed và E đều đổi dấu Nếu sđđ động cơ lớn hơn giá trị trung bình... gian từ 0 đến t1, động cơ sẽ trả năng lượng về nguồn thông qua D1 và D3 ( ID1= ID3=It, It -đường nét đứt (H.)) Trong khoảng thời gian t1 đến T, dòng tải khép mạch qua T4, D3 (I D3 = IT4 = I t) Dòng tải có dạng (H.) Trạng thái 3: E = ED /Trong khoảng thời gian 0 đến t0: E < ED động cơ hãm trả năng lượng về nguồn qua D1 và D3 (iD1 = iD3 = it) /Trong khoảng thời gian t0 đến t1 E > ED động cơ chuyển sang . TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU I. Đăc tính cơ của động cơ điện một chiều I.1. Khái quát về. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU Trong hệ truyền động CL- Đ, bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có suất điện động E đ