- Dựa vào các thơng số của động cơ và đặc tính vạn năng vẽ được đặc tính cơ, đặc tính cơ điện tự nhiên.
3.3.1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện
Sơ đồ nguyên lý nối dây như hình 3.3a. Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ khơng tải lý tưởng. Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như hình 3.3b.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên cĩ tải là Mc và tốc độ là A. Để điều chỉnh tốc độ ta đĩng một điện trở Rf vào mạch phần ứng. Khi đĩ dịng phần ứng Iư giảm đột biến, cịn tốc độ do quán tính nên chưa kịp biến đổi (bỏ qua quán tính diện từ của mạch phần ứng). Trên mặt phẳng [M, ], điểm làm việc chuyển từ A đến A’. Dịng Iư giảm làm cho mơmen của động cơ giảm theo nên M < Mc và tốc độ giảm xuống. Mặt khác, do tốc độ giảm nên S.Đ.Đ của phần ứng E = k
cũng giảm làm cho dịng Iư lại tăng lên. Kết quả là mơmen tăng dần cho đến khi M = Mc thì hệ trở nên xác lập nhưng tốc độ lúc này là 2 < 1 tương ứng với điểm làm việc B trên đặc tính điều chỉnh Rf. Giá trị 2 phụ thuộc vào Rf
và Mc.
a) b)
Hình 3.3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng
Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng:
trong đĩ ;
- Để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp điện trở phụ thì chỉ cĩ thể điều chỉnh theo hướng giảm tốc độ. Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
+ Tại đặc tính cơ tự nhiên: = đm = A: + Tại đặc tính cơ biến trở: = B:
Do khi điều chỉnh giá trị của điện trở phụ trong mạch phần ứng thì 0
khơng thay đổi cịn A < B nên sA < sB. Hay nĩi cách khác đặc tính cơ thấp nhất sẽ cĩ sai số tốc độ lớn nhất.
- Dải điều chỉnh tốc độ động cơ D:
max nằm trên đường đặc tính cơ tự nhiên cịn min bị giới hạn bởi yêu cầu về khả năng làm việc ổn định, khả năng quá tải: Mnm.min = Mc.max = KM.Mđm. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mơmen tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D càng nhỏ. Nĩi chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh: D ≈ 5:1
- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao cơng suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn.
- Về nguyên tắc, phương pháp này cĩ thể điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở nhưng vì dịng phần ứng lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khĩ khăn. Thực tế thường sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở.
b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng:
Muốn thay đổi từ thơng động cơ, ta tiến hành thay đổi dịng điện kích từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ cĩ thể giảm dịng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) do đĩ chỉ cĩ thể thay đổi về phía giảm từ thơng. Khi giảm từ thơng, đặc tính dốc hơn và cĩ tốc độ khơng tải lớn hơn.
Điều chỉnh từ thơng kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mơmen điện từ của động cơ Mđt = kФIư và sức điện động của động cơ Eư = kФ. Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thơng cũng là hệ phi tuyến.
trong đĩ:
rkt – điện trở dây quấn kích từ
rb – điện trở của nguồn điện áp kích từ wkt – số vịng dây của dây quấn kích từ Trong chế độ xác lập ta cĩ mối quan hệ:
; Ф = f(ikt)
a)
b) c)
Hình 3.4: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi từ thơng kích từ
Phương pháp điều chỉnh từ thơng kích từ được biểu diễn như trên hình 3.4. Thường khi điều chỉnh từ thơng thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đĩ đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thơng chính là đặc tính cơ cĩ điện áp phần ứng định mức, từ thơng định mức và được gọi là đặc tính cơ bản (đơi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thơng bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ gĩp điện và độ bền cơ khí. Khi giảm từ thơng để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ gĩp cũng bị xấu đi, vì vậy để bảo đảm điều kiện chuyển mạch được bình thường thì cần phải giảm dịng điện phần ứng cho phép, kết quả là mơmen cho phép trên trục động cơ giảm rất mạnh. Ngay cả khi giữ nguyên dịng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh khi từ thơng giảm.
hay
Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thơng nên đối với các động cơ mà từ thơng định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão
hịa của đặc tính từ hĩa thì cĩ thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thơng số kết cấu của máy điện:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thơng cĩ các đặc điểm sau:
- Từ thơng càng giảm thì tốc độ khơng tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn.
- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thơng. - Cĩ thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh.
- Dải điều chỉnh tốc độ nĩi chung khơng rộng do bị hạn chế về điều kiện chuyển mạch của cổ gĩp và độ bền cơ học. Đồng thời tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh sẽ càng lớn (do tăng được giá trị max). Thực tế những động cơ thơng thường cho phép max 1,5đm vì vậy D 1,5. Các động cơ đặc biệt cĩ thể cĩ D ~ 4 ÷ 8 nhưng loại này to và đắt tiền.
- Chỉ cĩ thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng.
- Do độ dốc đặc tính cơ tăng khi giảm từ thơng nên các đặc tính sẽ cắt nhau và do đĩ, với tải khơng lớn thì tốc độ tăng khi từ thơng giảm. Cịn ở vùng tải lớn tốc độ cĩ thể tăng hoặc giảm tùy theo tải. Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải khơng quá lớn so với định mức.
- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dịng kích từ nhỏ, bằng từ (1÷10)% dịng định mức của phần ứng. Do vậy khơng yêu cầu nhiều thiết bị phức tạp, tổn hao điều chỉnh thấp.
c. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:
Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thơng khơng đổi và điều chỉnh áp trên phần cứng thì dịng, mơmen sẽ thay đổi, do đĩ tốc độ của nĩ sẽ thay đổi.
Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ, phương pháp điều chỉnh này thường áp dụng cho động cơ kích từ độc lập. Tuy nhiên trong thực tế phương pháp này cũng sử dụng cho cả động cơ kích từ nối tiếp theo những hệ đặc biệt.
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần cĩ thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, khuếch đại từ hoặc các bộ chỉnh lưu điều khiển,…Các thiết bị nguồn này cĩ chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều cĩ sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì thơng thường cơng suất của bộ biến đổi và của
động cơ xấp xỉ như nhau nên điện trở trong Rb và điện kháng Lb cũng cĩ giá trị đáng kể so với điện trở phần ứng, Rư thậm chí lớn hơn (xem hình 3.5).
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
Ở chế độ xác lập cĩ thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
Quá trình điều chỉnh tốc độ được giải thích như sau (xem hình 3.6):
Hình 3.6: Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh điện áp
Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1 trên phần ứng.
Khi giảm điện áp từ U1 xuống U2, động cơ thay đổi điểm làm việc từ điểm A cĩ tốc độ lớn ωA trên đường 1 xuống điểm D cĩ tốc độ nhỏ hơn (ωD < ωA) trên đường 2 (ứng với điện áp U2).
Trong khi giảm tốc độ theo cách giảm điện áp phần ứng, nếu giảm mạnh điện áp, nghĩa là chuyển nhanh từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp thì cùng với quá trình giảm tốc cĩ thể xảy ra quá trình hãm tái sinh. Chẳng hạn, cũng trên hình 3.6, động cơ đang làm việc tại điểm A với tốc độ lớn ωA trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1. Ta giảm mạnh điện áp phần ứng từ U1 xuống U3. Lúc này động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A trên đường 1 sang điểm E trên đường 3 (chuyển ngang với ωA = ωE). Vì ωE lớn hơn tốc độ khơng tải lý tưởng ω03 của đặc tính cơ 3 nên động cơ sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trên đoạn EC của đặc tính 3.
Quá trình hãm giúp động cơ giảm tốc nhanh. Khi tốc độ xuống thấp hơn ω03 thì động cơ lại làm việc ở trạng thái động cơ. Lúc này do mơmen MĐ
= 0 nên động cơ tiếp tục giảm tốc cho tới điểm làm việc mới tại F, vì tại F
mơmen động cơ sinh ra cân bằng với mơmen cản MC. Động cơ chạy ổn định
tại F với tốc độ ωF < ωA.
Khi tăng tốc, diễn biến của quá trình được giải thích tương tự. Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm I cĩ tốc độ ωI nhỏ trên đặc tính cơ 5, ứng với điện áp U5 trên phần ứng. Tăng điện áp từ U5 lên U4, động cơ chuyển điểm làm việc từ I trên đặc tính 5 sang điểm G trên đặc tính 4. Do mơmen MG lớn hơn mơmen cản MC nên động cơ tăng tốc theo đường 4 (đoạn GH). Đồng thời với quá trình tăng tốc, mơmen động cơ bị giảm và quá trình tăng tốc chậm dần. Tới điểm H thì mơmen động cơ cân bằng với mơmen tải MH = MC và động cơ sẽ làm việc ổn định tại điểm H với tốc độ ωH > ωI.
Vì từ thơng của động cơ được giữ khơng đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng khơng đổi, cịn tốc độ khơng tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đĩ cĩ thể nĩi phương pháp điều chỉnh này là triệt để.
Phương pháp điều chỉnh này chỉ cĩ thể giảm điện áp phần ứng nên tốc độ chỉ cĩ thể điều chỉnh theo hướng giảm tốc. Để đánh giá dải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng là định mức và từ thơng cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mơmen khởi động. Khi mơmen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:
Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải cĩ mơmen ngắn mạch là:
trong đĩ KM là hệ số quá tải về mơmen. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính ta cĩ thể viết:
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0.max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đĩ cĩ thể tính sơ bộ được:
Vì thế với tải cĩ đặc tính mơmen khơng đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng khơng vượt quá 10. Đối với các máy cĩ yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở” như trên là khơng thỏa mãn được.
Hình 3.7: Xác định phạm vi điều chỉnh
Trong phạm vi phụ tải cho phép cĩ thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong tồn dải điều chỉnh là như nhau, do đĩ độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất. Hay nĩi một cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ khơng vượt quá giá trị sai số cho phép thì hệ truyền động sẽ làm việc
x = 0
x = 1
ư 1
với sai số luơn nhỏ hơn sai số cho phép trong tồn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:
Ta thấy với phương pháp thay đổi điện áp phần ứng thì trên các đường đặc tính ta đều cĩ độ sụt tốc tuyệt đối là = const vì vậy s phụ thuộc vào giá trị tốc độ đặt. đ càng lớn thì s càng nhỏ, như trên hình 5 thì A > B >
min nên sA > sB > smin.
Vì các giá trị Mđm, 0.max, scp là xác định nên cĩ thể tính được giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số khơng vượt quá giá trị cho phép. Để làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vịng kín.
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thơng kích từ được giữ nguyên, do đĩ mơmen tải cho phép của hệ sẽ là khơng đổi:
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mơmen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đường thẳng = đm, M = Mđm và các trục tọa độ. Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao khơng đổi trong hệ.
Khi làm việc ở chế độ xác lập, ta cĩ mơmen do động cơ sinh ra đúng bằng mơmen tải trên trục M* = M*c và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là thì:
Hình 3.8: Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau
Hình 3.8 mơ tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường hợp đặc tính tải khác nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong trường hợp mơmen tải là hằng số trong tồn dải điều chỉnh. Cũng thấy rằng khơng nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ truyền động.
Nhận xét về các chỉ tiêu chất lượng:
- Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ. - Cĩ thể điều chỉnh trơn trong tồn bộ dải điều chỉnh.
- Độ cứng đặc tính cơ giữ khơng đổi trong tồn bộ dải điều chỉnh. Đặc tính cơ điều chỉnh theo phương pháp này tuy mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên song cứng hơn các đặc tính biến trở, phân mạch phần ứng một cách đáng kể. Vì vậy phương pháp này bảo đảm được sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, tổn thất ít năng lượng và dải điều chỉnh lớn. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào giá trị của tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh cũng càng nhỏ và ngược lại.
- Độ sụt tốc tuyệt đối trên tồn dải điều chỉnh ứng với một mơmen là