Chương 4
Cỏc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ
Trong phần này, chỳng ta sẽ tỡm hiểu thế nào là một hệ truyền động biến đổi tốc độ, tổng quan về cỏc hệ truyền động thay đổi tốc độ một chiều, xoay chiều cũng như cỏc ưu nhược điểm của chỳng. Ngoài ra, chúng ta cũng sẽ đi sõu phõn tớch về hệ truyền động xoay chiều điều chỉnh động cơ khụng đồng bộ theo phương phỏp điều chỉnh mụ men trực tiếp.
Để trả lời cõu hỏi đầu tiờn, chỳng ta phải hiểu rằng chức năng cơ bản của một hệ truyền động biến đổi tốc độ(*) là biến đổi năng lượng từ nguồn tới tải (là cỏc mỏy sản xuất). Năng lượng từ nguồn được đưa tới cỏc mỏy sản xuất thụng qua trục động cơ. Hai đại lượng miờu tả trạng thỏi trục động cơ là mụ men và tốc độ động cơ. Do đú, để điều khiển dũng năng lượng, ta phải điều khiển hai đại lượng đú. Trong thực tế, ta thường chỉ điều khiển một trong hai đại lượng này và ta núi rằng điều chỉnh mụ men hay điều chỉnh tốc độ. Khi một hệ truyền động biến đổi tốc độ vận hành ở chế độ điều chỉnh mụ men, tốc độ được xỏc định bởi tải. Tương tự như vậy, khi hệ hoạt động ở chế độ điều chỉnh tốc độ thỡ mụ men được xỏc định từ tải.
Ở giai đoạn phỏt triển ban đầu, động cơ một chiều được sử dụng trong hệ truyền động thay đổi tốc độ bởi vỡ nú cú thể dễ dàng đạt được tốc độ và mụ men mong muốn mà khụng cần phải cú cỏc mạch điện phức tạp. Tuy nhiờn, sự phỏt triển của hệ truyền động xoay chiều với cỏc kỹ thuật điều khiển hiện đại đó dần đạt được cỏc đặc tớnh điều khiển tương tự như hệ truyền động một chiều trong khi đứng về gúc độ kinh tế thỡ động cơ xoay chiều lại rẻ hơn động cơ một chiều. Để cú thể hiểu rừ hơn cỏc vấn đề, dưới đõy ta sẽ phõn tớch tổng quỏt về cỏc hệ truyền động một chiều và xoay chiều, với một số hệ truyền động xoay chiều điển hỡnh điều chỉnh động cơ khụng đồng bộ(**). 4.1 Hệ truyền động một chiều
(*) Variable Speed Drive _ VSD
(**) Hệ truyền động máy ép quang sử dụng động cơ không đồng bộ, do đó ta sẽ chỉ tìm hiểu các hệ truyền
Cho đến nay, truyền động một chiều vẫn cũn được sử dụng trong một số lĩnh vực do những ưu điểm về điều chỉnh cỏc thụng số truyền động của hệ. Giản đồ kết cấu chung của động cơ một chiều như trờn hỡnh 4.1
Trong đú: i, R, L tương ứng là dũng điện, điện trở và điện cảm mạch phần ứng. if , λ là dũng điện và từ thụng mạch kớch từ động cơ. Động cơ một chiều cú cỏc quan hệ sau:
λ = k1If (4.1a) T = k2λI (4.1b)
với k1, k2 là cỏc hằng số động cơ. T là mụ men động cơ.
Trong động cơ một chiều, từ trường được tạo bởi dũng điện đi qua dõy quấn mạch kớch từ. Từ trường này luụn luụn vuụng gúc với từ trường tạo bởi cuộn dõy phần ứng. Trạng thỏi này, được gọi là sự định hướng trường, là cần thiết để tạo ra mụ men cực đại. Cấu trỳc chổi than – cổ gúp đảm bảo chắc chắn trạng thỏi đú được duy trỡ mà khụng cần quan tõm đến vị trớ rotor. Khi sự định hướng trường đạt được, mụ men động cơ một chiều sẽ dễ dàng được điều khiển nhờ dũng điện phần ứng động cơ. Cụng thức 4.1a cho thấy từ thụng động cơ phụ thuộc vào dũng điện kớch từ động cơ. Do đú ta cú thể điều chỉnh từ thụng trực tiếp nhờ điều chỉnh dũng điện kớch từ.
Phương trỡnh đặc tớnh cơ điờn động cơ cú dạng như sau:
λ ω 1 k RI V − = (4.1c) với V là điện ỏp phần ứng. Và dạng đặc tớnh cơ ω = f(T) như hỡnh 4-2.
Với đường đặc tớnh cú dạng tuyến tớnh, do đú hệ truyền động một chiều cho phộp điều chỉnh tốc độ với dải điều chỉnh rất rộng. Trờn hết, cỏc cụng thức (4.1b) và (4.1c) cho thấy
ĐC
if λ
i R, L
Hình 4-1 Giản đồ thay thế động cơ DC
Phần ứng
Kích từ
T
ω
4. Cỏc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ 4.1 Hệ truyền động một chiều
tốc độ và mụ men động cơ, hai đại lượng chớnh cần quan tõm, được điều khiển trực tiếp thụng qua dũng điện phần ứng: điều khiển mụ men ở mạch vũng điều khiển trong và điều khiển tốc độ ở mạch vũng điều khiển ngoài. Cấu trỳc điển hỡnh của hệ truyền động một chiều cú dạng như hỡnh 4-3:
Cỏc ưu điểm của hệ truyền động một chiều là:
• Điều khiển mụ men nhanh và chớnh xỏc
• Đỏp ứng tốc độ làm việc cao
• Dễ điều khiển
Động cơ một chiều cú thể tạo ra mụ men:
o Trực tiếp _ mụ men động cơ tỷ lệ thuận với dũng điện phần ứng: mụ men do vậy cú thể được điều khiển trực tiếp và chớnh xỏc.
o Nhanh _ điều khiển mụ men nhanh: hệ truyền động cú thể đỏp ứng tốc độ làm việc cao. Mụ men cú thể thay đổi tức thời nếu động cơ được cung cấp từ nguồn lý tưởng.
o Đơn giản _ sự định hướng trường đạt được nhờ sử dụng cỏc thiết bị cơ khớ đơn giản là hệ chổi than cổ gúp. Do đú, khụng cần mạch điện điều khiển phức tạp sẽ làm tăng gớa thành hệ. Tuy nhiờn, hệ truyền động một chiều cũn tồn tại nhiều vấn đề, những vấn đề này chớnh là quyết định sự lựa chọn hệ trong nhiều ứng dụng:
Điều khiển
tốc độ Điều khiển mô men M=
FT
• Giảm độ tin cậy động cơ
• Phải bảo dưỡng thường xuyờn
• Giỏ thành động cơ cao
• Cần mạch encoder
Nhược điểm chớnh của hệ là giảm độ tin cậy động cơ; thực tế là cỏc chổi than và cổ gúp thường nhanh hỏng và cần phải được thường xuyờn bảo dưỡng; thờm vào đú, giỏ thành động cơ một chiều thường cao và cần phải cú mạch encoder cho mạch phản hồi. Trong khi hệ truyền động một chiều tạo ra mụ men điều khiển được dễ dàng từ 0 tới định mức thỡ phần cơ khớ của động cơ lại quỏ phức tạp và cần phải bảo trỡ thường xuyờn.
4.2 Hệ truyền động xoay chiều động cơ khụng đồng bộ
Trong phần này, ta sẽ nghiờn cứu về ảnh hưởng của tần số động cơ khụng đồng bộ và phõn tớch một số hệ truyền động biến tần - động cơ khụng đồng bộ, trong đú cú hệ điều chỉnh mụ men trực tiếp.
4.2.1 Đặc tớnh cơ động cơ KĐB và ảnh hưởng của tần số tới đặc tớnh cơ
Mạch điện thay thế một pha động cơ khụng đồng bộ cú dạng hỡnh 4-4:
Trong đú:
Uf là điện ỏp stator
I1, Ià, I2’ tương ứng là cỏc dũng điện stator dũng điện từ hoỏ và dũng điện rotor đó quy đổi về stator
R1, Rà, R2’ tương ứng là điện trở của cỏc mạch stator, mạch từ hoỏ và mạch rotor đó quy đổi về stator.
Hình 2. Sơ đồ thay thế động cơ KĐB
X1 Rr X Xà Rà s R′2 Ià I1 I Uf