1. Hệ truyền động cho động cơ không đồng bộ
Hệ truyền động này dùng động cơ không đồng bộ 3 pha. Loại động cơ này đ−ợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác. Ngày nay do sự phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử, tin học, động cơ không đồng bộ mới khai thác đ−ợc hết
các −u điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động chỉnh l−u tiristor.
Không giống nh− động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng nh− mômen động cơ sinh ra phụ thuộc nhiều vào tham số.
Động cơ không đồng bộ đ−ợc chia làm hai loại, động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và động cơ không đồng bộ rôto dây quấn. Trong công nghiệp với hệ truyền động công suất nhỏ và trung bình, động cơ không đồng bộ đ−ợc sử dụng rất phổ biến. Với sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn công suất và kĩ thuật điện tử, tin học. Động cơ không đồng bộ có thể đạt đ−ợc nhiều yêu cầu truyền động cao mà tr−ớc đây chỉ có hệ truyền động một chiều T-Đ mới đảm bảo đ−ợc. Do vậy, cùng với −u điểm nổi bật về giá thành, động cơ không đồng bộ ngày càng đ−ợc sử dụng rộng rãi trong truyền động điện.
Do đặc điểm cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt của động cơ không đồng bộ, từ thông và mômen của động cơ phụ thuộc vào nhiều tham số khác nhau. Hệ điều chỉnh động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số và phi tuyến mạnh. Xu h−ớng hiện đại là xây dựng hệ truyền động động cơ điện không đồng bộ có đặc tính điều chỉnh tiếp cận với đặc tính điều chỉnh hệ truyền động một chiều.
Trong công nghiệp th−ờng sử dụng 4 hệ điều chỉnh tốc độ: a) Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi tiristor
Nguyên tắc của ph−ơng pháp này là mômen của động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình ph−ơng điện áp stato.
Do đó có thể điều chỉnh đ−ợc mômen và tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số.
b) Điều chỉnh điện trở mạch rôto
Ph−ơng pháp này đ−ợc thực hiện theo nguyên tắc điều chỉnh trơn điện trở rôto bằng các van bán dẫn.
Điện trở trong mạch rôto của động cơ không đồng bộ: Rr = Rrd + Rf
Trong đó:
Rrd : Điện trở dây quấn rôto.
Rf : Điện trở ngoài mắc thêm vào mạch stato.
Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ tr−ợt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở.
M = ω i rd 2 r S R I 3
Si : Độ tr−ợt khi điện trở mạch rôto là Rrd
Nếu giữ cho Ir = const thì M = const và không phụ thuộc tốc độ động cơ. Vì thế mà có thể ứng dụng ph−ơng pháp điều chỉnh điện trở mạch rôto cho truyền động có mômen tải không đổi.
Ph−ơng pháp điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng ph−ơng pháp xung: ρ = = + = R . T t . R t t t . R R d 0 0 n d d 0 e
Re : là điện trở t−ơng đ−ơng trong mạch rôto đ−ợc tính theo thời gian đóng td và thời gian ngắt tn của một khóa bán dẫn cho phép một điện trở R0 vào mạch hay không.
c) Ph−ơng pháp điều chỉnh công suất tr−ợt
Đối với các hệ truyền động công suất lớn, tổn hao ΔPS là lớn. Vì vậy để điều chỉnh đ−ợc tốc độ vừa tận dụng đ−ợc công suất tr−ợt, ng−ời ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suất tr−ợt.
ΔPS = Me.(ω1 – ω) = Me.ω1.s = Pdt.s dt S P P Δ s=
d) Ph−ơng pháp biến đổi tần số
Ph−ơng pháp này điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên nguyên tắc điều chỉnh tần số f1 sang tần số f2
Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ th−ờng kéo theo cả việc điều chỉnh điện áp, dòng điện hay cả từ thông mạch stato.
Do vậy đây là ph−ơng pháp phức tạp phải dùng nhiều thiết bị. Có 2 loại biến tần:
Biến tần trực tiếp : Loại này có sơ đồ cấu trúc rất đơn giản
f1 Mạch van f2
Hình 2.9
Điện áp vào xoay chiều U1 (tần số f1) qua một mạch van là ra ngay tải với tần số f2. Bộ biến tần này có hiệu suất biến đổi năng l−ợng cao, tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch van khá phức tạp, có số l−ợng van lớn nhất với mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số ra f2 khó khăn và phụ thuộc nhiều vào tần số f1
Biến tần gián tiếp :
Chỉnh luu Lọc Nghịch luu U1, f1 U2, f2 Hình 2.10
Xoay chiều Một chiều Xoay chiều
Điện áp xoay chiều đ−ợc biến thành một chiều nhờ bộ chỉnh l−u, qua bộ lọc, qua bộ nghịch l−u độc lập rồi đ−ợc biến đổi thành U2 với tần số f2
Hiệu suất biến tần loại này thấp song cho phép thay đổi dễ dàng mà không phụ thuộc f1
+ Hệ truyền động động cơ không đồng bộ có nhiều −u điểm:
- Giá thành rẻ hơn nhiều so với động cơ một chiều hay động cơ đồng bộ cùng công suất.
- Động cơ không đồng bộ có cấu trúc đơn giản, đặc biệt là động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc dễ chế tạo, bảo d−ỡng, sữa chữa.
- Sử dụng đ−ợc điện xoay chiều từ l−ới.
+ Hệ truyền động này cũng có một số nh−ợc điểm:
- Dải điều chỉnh ch−a lớn.
- Khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ thấp. Để đạt đ−ợc yêu cầu cao cần có đầu t− lớn.
- Khả năng tự động hóa kém.
2. Truyền động cho động cơ đồng bộ
Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ba pha ngày nay đ−ợc sử dụng rộng rãi với dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW. Nó chiếm vị trí quan trọng trong các hệ truyền động tự động. ở dải công suất lớn và cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm −u thế. Tuy vậy ở công suất nhỏ nó phải cạnh tranh với truyền động động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều. Ngày nay truyền động động cơ đồng bộ công suất nhỏ đang đ−ợc chú ý nghiên cứu để thay thế truyền động động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều, bởi động cơ đồng bộ mang tính −u việt của cả động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều.
Nguyên lí điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ xuất phát từ biểu thức:
D S S P f . π 2 U = Trong đó: fS : tần số nguồn cấp PD : số đôi cực
Trong thực tế động cơ đồng bộ đ−ợc điều chỉnh bằng biến tần nguồn dòng hoặc biến tần nguồn áp. Đặc điểm của hệ truyền động động cơ đồng bộ là đạt sai số tốc độ nhỏ, nâng cao hệ số sử dụng điện, có khả năng bù đ−ợc cosφ cho l−ới. Tuy nhiên động cơ đồng bộ gặp nhiều khó khăn trong quá trình khởi động do đặc điểm riêng, hơn nữa chúng khá đắt tiền. Trong thang máy động cơ đ−ợc yêu cầu làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại nên
quá trình khởi động động cơ liên tục xảy ra, do đó loại trừ khả năng sử dụng động cơ đồng bộ.
Kết luận :
+ Chọn ph−ơng án truyền động là dựa trên yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn động cơ. Thông qua phân tích, so sánh về kinh tế kĩ thuật để chọn động cơ truyền động là một chiều hay xoay chiều, đồng bộ hay không đồng bộ.
+ Hiện nay hệ truyền động điện trong các máy nâng, vận chuyển sử dụng phổ biến là hệ truyền động với động cơ xoay chiều và một chiều. Xu h−ớng chủ yếu khi thiết kế và chế tạo hệ truyền động điện cho máy nâng, vận chuyển là th−ờng chọn hệ truyền động với động cơ xoay chiều vì có hiệu quả kinh tế cao, đạt yêu cầu về đặc tính khởi động củng nh− đặc tính điều chỉnh, chi phí đầu t− ít.
+ Với những chỉ tiêu truyền động đã phân tích, trong dự án thiết kế thang máy chở hàng cho tòa nhà 7 tầng với trọng tải 2000(kg) tốc độ chuyển động v = 1(m/s) nên chọn động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc 2 cấp tốc độ. Đây là hệ truyền động có thể đáp ứng tốt những chỉ tiêu kĩ thuật, đồng thời có −u điểm : lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ.
Ch−ơng III
Những khái niệm cơ bản về hệ truyền động điện và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
I. những khái niệm cơ bản về truyền động điện
1. Cấu trúc và phân loại
Cấu trúc chung của hệ truyền động điện đ−ợc mô tả trên hình 3.1 BBĐ ĐC MSX RT KT R K GN VH Hình 3.1 BBĐ : bộ biến đổi. ĐC : động cơ truyền động. MSX : máy sản xuất. RT : bộ điều chỉnh công nghệ. KT : các bộ đóng cắt phục vụ công nghệ. R : các bộ đóng cắt phục vụ truyền động. VH : ng−ời vận hành. GN : mạch ghép nối.
+ Hệ truyền động điện là tập hợp các thiết bị nh− : - Thiết bị điện.
- Thiết bị điện từ. - Thiết bị điện tử.
+ Phục vụ việc biến đổi năng l−ợng điện – cơ cũng nh− gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng l−ợng đó. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện đ−ợc mô tả trên hình 3.1 bao gồm 2 phần: - Phần lực là phần biến đổi và động cơ truyền động. Các bộ biến đổi
th−ờng dùng là bộ biến đổi máy điện, bộ biến đổi điện từ, bộ biến đổi điện tử. Động cơ điện có các loại: động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều đồng bộ và không đồng bộ.
- Phần điều khiển gồm các cơ cấu đo l−ờng, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ công nghệ và cho ng−ời vận hành.
+ Phân loại hệ truyền động điện nh− sau :
- Truyền động không điều chỉnh: th−ờng chỉ có động cơ nối trực tiếp với l−ới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.
- Truyền động có điều chỉnh: tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí.
2. Khái niệm chung và đặc tính cơ của động cơ điện
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ. Có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ nếu nh− động cơ vận hành ở chế độ định mức: Mđm, ωđm. Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số của nguồn, hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ.
Để so sánh và đánh giá các đặc tính cơ ng−ời ta đ−a ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β: ω Δ Δ = β M β lớn có đặc tính cơ cứng, β nhỏ có đặc tính cơ mềm, β→∞ có đặc tính cơ cứng tuyệt đối.
Truyền động có đặc tính cơ cứng, tốc độ thay đổi rất ít khi mômen biến đổi lớn. Thang máy có đặc tính cơ thuộc loại này.
3. Đặc tính cơ của máy sản xuất
Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng và đ−ợc biểu diễn bằng biểu thức tổng quát: ( ) a dm C dm C C M M M . M 0 0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ω ω + + = Trong đó: MC : mômen ứng với tốc độ ω 0 C M : mômen ứng với tốc độ ω = 0 Mđm : mômen ứng với tốc độ định mức ωđm
Thang máy là cơ cấu nâng hạ theo ph−ơng thẳng đứng a = 0 do đó biểu thức đặc tính cơ của thang máy:
MC = Mđm = const Ta có đồ thị sau:
Mômen cản thế năng (mômen cản tĩnh) của thang máy có đặc tính MC=const và không phụ thuộc vào chiều quay.
Đ−ợc biểu diễn trên hình 3.3:
Mômen phản kháng luôn chống lại chiều quay nh− mômen ma sát. Đ−ợc biểu diễn trên hình 3.4:
4. Trạng thái làm việc của truyền động điện
Trong hệ truyền động điện, bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng l−ợng điện cơ. Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của truyền động điện.
Dòng công suất điện Pđiện có giá trị d−ơng nếu nh− có chiều quay từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ Pcơ = M.ω cấp cho máy sản xuất. Công suất này có giá trị d−ơng nếu nh− mômen động cơ sinh ra có cùng chiều quay với tốc độ quay. Nếu ng−ợc lại, dòng công suất điện có giá trị âm, nếu nó có chiều từ động cơ đi về nguồn. Công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ng−ợc chiều với tốc độ quay.
Mômen của máy sản xuất đ−ợc gọi là mômen phụ tải hay mômen cản MC. Nó cũng đ−ợc định nghĩa dấu âm và dấu d−ơng ng−ợc lại với dấu mômen của động cơ.
Ph−ơng trình cân bằng công suất của hệ truyền động: Pđ = PC + ΔP
Trong đó:
Pđ : công suất điện. PC : công suất cơ.
ΔP : tổn thất công suất.
Tùy thuộc vào biến đổi năng l−ợng trong hệ mà ta có trạng thái hãm đ−ợc mô tả trên hình 3.5
Trạng thái động cơ bao gồm chế độ có tải và không tải Trạng thái hãm bao gồm :
- Hãm tái sinh Pđiện< 0, Pcơ< 0, cơ năng biến thành điện năng trả về l−ới. - Hãm ng−ợc Pđiện> 0, Pcơ< 0, điện năng và cơ năng trở thành tổn thất
ΔP.
- Hãm động năng Pđiện= 0, Pcơ< 0, cơ năng biến thành công suất tổn thất
5. Quy đổi mômen cản, lực cản và mômen quá trình
Trong mỗi một cơ cấu truyền động đều có các đại l−ợng: ω, M, v, F và mômen quán tính J. Để thuận tiện cho tính toán ng−ời ta th−ờng tính quy đổi tất cả các đại l−ợng về trục động cơ nh−ng phải theo nguyên tắc là đảm bảo năng l−ợng của hệ tr−ớc và sau quy đổi không thay đổi.
1 2 4 3 v.F f.e Jd,Wd,Md Jab,Mqd Jt,Wt,Mt
Hình 3.6 Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ
1 : động cơ điện. 2 : hộp giảm tốc. 3 : tang quay. 4 : tải trọng.
a) Tính quy đổi mômen MC và lực cản FC về trục động cơ
Khi tính toán thiết kế ta cho giá trị của mômen tang trống MT qua hộp giảm tốc có tỉ số truyền là i và hiệu suất ηi. Mômen này có tác động lên trục động cơ có giá trị Mcqd: i l . l . M M i t cqd = η t d i ω ω =
Tải trọng G sinh ra lực FC có vận tốc chuyển động là v, nó sẽ tác động lên trục động cơ một momen Mcqd ta có:
p l . F v . . F M C t i C cqd = η η ω = η Với : v p ωd = t i.η η = η
b) Tính quy đổi mômen quán tính
Trong hộp điều tốc các cặp bánh răng có mômen quán tính J1…Jk, mômen quán tính tang trống J1, khối l−ợng quán tính M và mômen quán tính động cơ Jd đều có ảnh h−ởng đến tính chất động cơ của hệ truyền động.
Nếu xét điểm khảo sát là trục động cơ và quán tính của cả hệ truyền động tại điểm này gọi là Jqd. Ta có ph−ơng trình động năng của hệ là:
2 2 t k 1 2 k d qd p m k . i J k . i J J J ⎟+ + ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = ∑
6. Ph−ơng trình động học của hệ truyền động điện
Ph−ơng trình cân bằng năng l−ợng của hệ truyền động điện: W = WC + ΔW
Trong đó:
W : năng l−ợng đ−a vào động cơ.
WC : năng l−ợng tiêu thụ của máy truyền động.
ΔW : mức chênh lệch năng l−ợng đ−a vào và năng l−ợng tiêu thụ