Hiện nay, phần lớn đầu mõy diezen sử dụng truyền động điện 1 chiều. Truyền động điện 1 chiều bao gồm cõc bộ phận chủ yếu sau:
- Mõy phõt điện chớnh (mõy phõt điện kĩo) lăm nhiệm vụ biến đổi cơ năng của trục khuỷu thănh điện năng.
- Động cơ điện kĩo lăm nhiệm vụ biến đổi điện năng của mõy phõt thănh cơ năng lăm quay cõc trục chủ động.
- Mõy kớch từ lă cõc mõy phõt điện đặc biệt cú nhiệm vụ điều chỉnh dũng kớch từ cho mõy điện chớnh.
- Mõy phõt điện phụ lăm nhiệm vụ cung cấp dũng điện cho mõy kớch từ vă cho hệ thống điều khiển.
- Hệ thống chiếu sõng của đầu mõy vă cõc thiết bị điện phụ khõc.
Đồ õn tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Mạnh Hă
Trong sức kĩo điện, cõc động cơ điện kĩo nối tiếp (cuộn kớch từ nối tiếp) được sử dụng phổ biến nhất vỡ cõc đặc tớnh của nú phự hợp hơn cả đối với điều kiện lăm việc của đầu mõy.
Động cơ điện 1 chiều cú cõc đường đặc tớnh lăm việc chủ yếu lă:
- Đặc tớnh tốc độ hoặc cơ điện: biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ quay của động cơ điện kĩo với dũng điện phần ứng của nú khi giữ điện õp đặt lớn động cơ điện kĩo khụng đổi.
Ta biết sức điện động xuất hiện trong roto của động cơ cú thể biểu diễn dưới dạng: Es = Cs.ns.φs
vă nú phải cđn bằng với độ sụt õp mạch ngoăi: Cs.ns.φs = Un – I.R do đú ta cú: ns = s s n C R I U φ . . −
vỡ lượng giảm thế I.R nớn ta cú thể bỏ qua mă khụng ảnh hưởng lớn đến số vũng quay nớn ta viết gọn lại như sau:
ns = s s n C U φ . (1)
- Đặc tớnh mụmen: biểu diễn mối quan hệ giữa mụmen trớn trục với dũng điện
phần ứng M = f(I).
Như ta biết cụng suất của động cơ điện 1 chiều cú dạng: Ns = Us.I.ηs (2)
mă Ns = Ms.ns (3)
từ (1), (2) vă (3) ta cú: Ms = Cs.I.ηs.φs (4) - Đặc tớnh cơ: biểu diễn mối quan hệ M = f(n).
Quan hệ M = f(n) trớn thực tế tỉ lệ với từ thụng φ (tức tỉ lệ với dũng điện kớch từ), ứng với mỗi giõ trị dũng Ikt (= Iư) đều được một giõ trị n vă từ đú xõc định được giõ trị mụmen M.
Đồ õn tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Mạnh Hă
Từ đường cong từ hoõ (đặc tớnh khụng tải), ứng với mỗi giõ trị dũng kớch từ (giả sử Ikt = I1) cú một giõ trị từ thụng φ1 tương ứng. Từ đặc tớnh tốc độ xõc định được số vũng quay n1 vă từ đặc tớnh mụmen xõc định được mụmen M1. Tương ứng với cõc giõ trị dũng kớch từ khõc (I2 đến In) ta cũng xõc định được giõ trị tốc độ vă mụmen tương ứng.
Từ đú ta xõc định được đường đặc tớnh cơ như hỡnh b:
Ở đđy động cơ điện một chiều kớch từ nối tiếp thỡ toăn bộ dũng của phần ứng đi qua cuộn dđy kớch từ W:
Trong cõc cụng thức (1), (2) vă (3) thỡ:
Cs: lă hệ số kết cấu của động cơ điện (Cs = const a N P = . 60 . ). ns: lă số vũng quay trớn trục động cơ điện (vũng/phỳt).
φs: lă từ thụng trong động cơ điện. I: lă dũng điện phụ tải (A).
ηs: lă hiệu suất của động cơ điện.
Ms: lă mụmen quay trớn trục động cơ điện (N.m). R: lă điện trở ở mạch động cơ điện (Ω).
Hỡnh 2.12: b. Đặc tớnh cơ của động cơ điện 1 chiều kớch từ nối tiếp
Đồ õn tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Mạnh Hă
Thụng qua cõc đường đặc tớnh cơ bản, ta rỳt ra một số nhận xĩt:
• Đối với đường đặc tớnh tốc độ n = f(I): khi ở trạng thõi khụng tải thỡ tốc độ n sẽ tăng lớn rất lớn do vậy khụng được phĩp khởi động động cơ điện 1 chiều kớch từ nối tiếp ở trạng thõi khụng tải.
• Khi phụ tải thay đổi thỡ n = f(I) vă M = f(I) biến thiớn ngược chiều nhau. Tức lă khi mõy mới khởi động cú dũng điện I khởi động lớn tạo ra mụmen quay lớn, dẫn đến sức kĩo khi khởi động của đầu mõy lớn. Ngược lại, khi nhẹ tải tốc độ quay của động cơ điện kĩo sẽ cao thuận lợi cho việc nđng cao tốc độ cho đoăn tău.
• Vận tốc gúc của động cơ điện kĩo giảm xuống khi tăng dũng phụ tải. Nếu đầu mõy đi trớn đường dốc (dũng phụ tải tăng lớn) cõc động cơ điện kĩo bắt đầu giảm số vũng quay thỡ mụmen của động cơ bắt đầu tăng lớn. Ở cõc dũng phụ tải lớn sự tăng của mụmen tỉ lệ thuận với sự tăng cường của dũng điện.
b. Phương phõp điều chỉnh vận tốc gúc của động cơ điện kĩo:
Ta biết rằng sự thớch ứng một cõch tự động của mụmen quay đối với tốc độ chạy lă một trong những ưu điểm cơ bản của động cơ điện 1 chiều kớch từ nối tiếp, trong vận hănh sự thay đổi một cõch liớn tục của sức kĩo vă tốc độ chạy lă tất nhiớn vỡ sức cản luụn luụn thay đổi. Để cú thể chuyển từ vận tốc quay của động cơ sang tốc dộ chạy của đầu mõy ta sử dụng quan hệ:
ns = i.nk (5)
trong đú: nk lă số vũng quay n của đầu mõy.
i lă tỉ số truyền giữa trục động cơ vă bõnh xe đầu mõy. Từ cụng thức: V = D5k,31.nk vă cụng thức (5) ta nhận thấy: V = 0,188. [km h] i n Dk s / .
Số vũng quay của động cơ điện được xõc định theo cụng thức: Ns = s s s C R I U φ . . −
Từ cụng thức năy ta thấy cú thể thay đổi số vũng quay của động cơ điện 1 chiều theo 3 phương phõp:
- Thay đổi điện õp Us trớn cõc cực của động cơ. - Thay đổi điện trở R trong mạch động cơ. - Thay đổi từ thụng φs.
Đồ õn tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Mạnh Hă
Việc thay đổi điện õp Us khụng ảnh hưởng tới độ lớn của mụmen quay Ms của động cơ (cú chứng minh bằng cụng thức 4). Song điều chỉnh vận tốc quay của động cơ điện thụng qua sự thay đổi điện õp trớn cõc cực của động cơ cú thể thực hiện được chỉ ở cõc đầu mõy cú nguồn năng lượng riớng, chẳng hạn ở đầu mõy diezen truyền động điện. Tuy nhiớn, ta cú thể nhận biết được sự thay đổi điện õp trớn cõc cực của động cơ điện bằng cõc phương phõp sau:
- Đấu nối tiếp thớm điện trở phụ. - Giảm từ trường.
- Chuyển cõch nối ghĩp cõc động cơ điện kĩo. - Tạo xung trong mạch động cơ điện.
Đấu nối tiếp thớm điện trở phụ được sử dụng chỉ trong khi khởi động bởi vỡ nú gđy ra tổn thất năng lượng lớn.
Nếu ta gọi điện õp cõc cực của động cơ điện kĩo lă Us, điện trở toăn phần của động cơ lă Rs thỡ cường độ dũng điện khi chưa cú điện trở phụ lă:
I0 = Us/ Rs (6)
Nếu nối thớm văo mạch động cơ một chiều điện trở nối tiếp khởi động lă R1, khi đú dũng điện tiớu thu đạt:
Ix = 1 R R U s s + (7)
Khi động cơ bắt đầu quay, trong động cơ xuất hiện sức phản điện E, do đú sự sụt giảm của cường độ dũng điện một cõch tự động diễn ra vă cú thể biểu thị nú dưới dạng:
I2 = 1 R R E U s s + −
Kết quả lăm tăng số vũng quay của động cơ, nếu đặt văo mạch của động cơ điện trở R1 khi đú với khả năng tăng số vũng quay của động cơ n thỡ mụmen quay giảm, gia tốc đoăn tău cũng giảm theo.
Điều chỉnh tốc độ thụng qua sự thay đổi cõch ghĩp động cơ lă phương phõp điều chỉnh chủ yếu, tuy nhiớn loại điều chỉnh năy phụ thuộc văo số lượng động cơ điện dựng trớn đầu mõy do đú số cấp điều chỉnh khụng lớn, ở cõc đầu mõy hiện nay thường dựng 4 đến 6 động cơ điện kĩo.
Đồ õn tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Mạnh Hă
Thụng qua việc thay đổi cõch nối ghĩp cõc động cơ điện trớn đầu mõy, ta thấy được sự thay đổi điện õp của động cơ điện kĩo Us vă chớnh qua điện õp Us ta điều chỉnh được vũng quay, điều đú cú nghĩa lă điều chỉnh tốc độ chạy của đầu mõy. Trong thực tế người ta sử dụng cõch ghĩp song song cõc động cơ ứng với tốc độ lớn nhất vă ghĩp nối tiếp cõc động cơ ứng với tốc độ nhỏ nhất, cũn cõc tốc độ trung gian thỡ phải dựng cõch ghĩp hỗn hợp nối tiếp- song song. Đặc tớnh của cõc động cơ ở cõc cõch ghĩp khõc nhau được xõc định dựa văo độ lớn của điện õp ứng với mỗi lần thay đổi trớn cõc cực của nú. Điều chỉnh tốc độ bằng cõch “thay đổi chế độ lăm việc của động cơ” được thực hiện ở bước chuyển tiếp của điều chỉnh bằng điện trở phụ. Việc điều chỉnh đú nhằm mục đớch tăng tốc độ của động cơ đến đặc tớnh tự nhiớn ứng với cõc động cơ ghĩp song song với nhau. Song cõc phương phõp điều chỉnh trớn vẫn chưa thoả mờn về yớu cầu phõt triển tốc độ của đầu mõy ứng với điện õp đờ cho năo đú. Để giải quyết mđu thuẫn đú ta dựng phương phõp “giảm yếu từ trường” bởi vỡ tốc độ quay của động cơ cú dạng: ns = s s s C R I U φ . . −
Trong thực tế thường dựng 2 phương phõp giảm yếu từ trường đú lă phương phõp phđn đoạn dđy quấn kớch từ vă phương phõp phđn mạch dũng kớch từ. Sơ đồ của
2 phương phõp năy được trỡnh băy ở phần tiếp theo.
Cuối cựng lă phương phõp điều chỉnh tốc độ bằng điều õp xung trong mạch động cơ thụng qua việc sử dụng thysistor, đđy lă phương phõp hiện đại. Nguyớn lý lăm việc lă dũng điều khiển khống chế quõ trỡnh đúng mở mạch động cơ vă thay đổi tốc độ quay của động cơ.
Đồ õn tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Mạnh Hă
c. Vấn đề điều chỉnh đường đặc tớnh ngoăi của mõy phõt điện chớnh:
Ta đờ biết cụng suất hữu ớch của động cơ diezel Ne vă cụng suất vănh bõnh Nk đều lă cõc đại lượng khụng đổi (ở chế độ định mức), cho nớn cụng suất ở cõc khđu trung gian lă mõy phõt điện chớnh vă động cơ điện kĩo cũng khụng thay đổi.
Cụng suất của mõy phõt điện chớnh:
Pp = (Ne - Nf).ηp.0,736 = Ip.Up.10-3 (kw)
trong đú: Ne lă cụng suất hữu ớch của động cơ (gọi lă mờ lực)
Nf lă cụng suất hữu ớch của động cơ chi phớ cho cõc trang thiết bị phụ, mờ lực (Nf = 10%.Ne).
ηp lă hiệu suất của mõy phõt điện chớnh (ηp = 0,93-0,95) Up lă điện õp của mõy phõt điện chớnh (V)
Ip lă cường độ dũng điện của mõy phõt điện chớnh (A)
Để sử dụng triệt để cụng suất của động cơ diezen ở một chế độ lăm việc cho trước năo đú (Ne = const) thỡ phải thoả mờn điều kiện: Pp = Up.Ip = const
Cú nghĩa lă điện õp của mõy phõt phải được thay đổi tỉ lệ nghịch với dũng điện của nú. Như vậy đường đặc tớnh ngoăi của mõy phõt điện chớnh Up = f(Ip) phải cú dạng Hyperbol.
Đồ õn tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Mạnh Hă
Đường đặc tớnh năy gồm cú 3 đoạn chớnh:
• Đoạn 1-2: đường hạn chế điện õp của mõy phõt điện (hạn chế kớch từ). trong đoạn năy do mạch từ bờo hoă nớn Up vă Ip khụng tỉ lệ nghịch với nhau, nớn cụng suất của mõy phõt điện giảm xuống, cũn cụng suất của động cơ khụng được tận dụng hết.
• Đoạn 2-3: đường đặc tớnh cú dạng Hyperbol. Tại đđy cụng suất của mõy phõt điện bị hạn chế bởi cụng suất định mức của động cơ diezel vă cụng suất của động cơ diezel được sử dụng một cõch triệt để.
• Đoạn 3-4: đường hạn chế dũng điện cực đại cho mõy phõt (hạn chế bởi điều kiện đõnh lửa khi chuyển mạch, độ phõt núng cho phĩp của cuộn dđy phần ứng…). Khi dũng điện mõy phõt điện vượt quõ giới hạn lớn nhất thỡ điện õp mõy phõt lập tức giảm xuống nhanh chúng nhờ tõc động của cõc thiết bị đặc biệt. Quan hệ hyperbol giữa Up vă Ip lại bị phõ vỡ vă do đú cụng suất của động cơ diezel lại khụng được sử dụng hết.
Như vậy trong đoạn 2-3 (từ Imin - Imax) cụng suất của động cơ diezen mới được sử dụng hết.
Hệ thống tự động điều chỉnh cụng suất của mõy phõt điện cú thể phđn ra thănh 2 nhúm: hệ thống điều chỉnh bằng mõy điện vă hệ thống điều chỉnh bằng thiết bị điện.
Trong hệ thống điều chỉnh bằng mõy điện người ta dựng mõy kớch từ để tạo ra đường đặc tớnh ngoăi cú dạng hyperbol cho mõy phõt. Cũn trong hệ thống điều chỉnh bằng thiết bị điện sử dụng cõc bộ điều chỉnh để điều chỉnh cụng suất mõy phõt.
Điện õp của mõy phõt Up được liớn hệ với lực điện động Ep của nú như sau: Up = Ep – Ip.rư
Ep = np.φp.Cp
trong đú: Cp lă hằng số kết cấu của mõy phõt np lă tốc độ quay phần ứng của mõy phõt
φp lă từ thụng kớch từ của mõy phõt
Đồ õn tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Mạnh Hă
Độ sụt õp Ip.rư trong mạch điện phần ứng cú điện trở rư khụng đõng kể nớn ta coi Up = Ep vă Pp = Ip.Up = const. Khi thay đổi phải tiến hănh điều chỉnh từ thụng kớch từ
φp sao cho Up thay đổi tỉ lệ nghịch với Ip.
Từ thụng kớch từ của mõy phõt phụ thuộc văo sức từ động của cực từ chớnh Fp:
φp = Fp = Ik.ωk
trong đú: Ik lă dũng kớch từ của mõy phõt điện chớnh
ωk lă số vũng dđy của cuộn kớch từ
Như vậy để điều chỉnh φp cần phải thay đổi Ik hoặc ωk. Tuy nhiớn, việc điều chỉnh bằng cõch thay đổi ωk sẽ lăm tăng số đầu dđy dẫn tới kết cấu mõy phõt trở nớn phức tạp. Do vậy, ta nớn sử dụng phương phõp thay đổi dũng kớch từ Ik của mõy phõt thụng qua sự thay đổi điện õp kớch từ Uk đưa văo cuộn dđy kớch từ độc lập của mõy phõt bằng cõch sử dụng cõc mõy kớch từ 1 chiều cú cõc bộ khuếch đại vă cõc bộ nắn dũng điều khiển bõn dẫn trong hệ thống kớch từ.
Hiện nay trớn đầu mõy diezel truyền động điện người ta thường sử dụng hệ thống điều chỉnh bằng mõy điện để tạo đường đặc tớnh ngoăi cú dạng hyperbol cho mõy điện chớnh. Trớn hỡnh 2.11 lă loại sơ đồ điều chỉnh bằng mõy kớch từ cú cực từ xẻ rờnh dọc:
Trong trường hợp năy đường đặc tớnh hyperbol của mõy kớch từ được tạo thănh nhờ sự tõc động tương hỗ giữa lực kớch từ của cõc cuộn dđy kớch từ độc lập ωk vă cuộn dđy ngược ωng được quấn trớn cực từ xẻ rờnh. Sơ đồ cực từ xẻ rờnh biểu thị trớn hỡnh 2.12
Tới động cơ điện kĩo
Hỡnh 2.16: Sơ đồ điều chỉnh mõy kớch từ cú cực từ xẻ rờnh dọc
Đồ õn tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Mạnh Hă
Cuộn kớch từ độc lập được cấp điện từ mõy phõt điện phụ Mp cú điện õp khụng đổi vă từ phần ứng của mõy kớch từ K. Việc cấp điện độc lập từ Mp (lă nguồn cấp chủ yếu) nớn lực điện động E1 do cuộn độc lập sinh ra ở phần tử thứ nhất của cực từ hầu như khụng phụ thuộc văo phụ tải Ip của mõy phõt. Lực điện động E2 được sinh ra trong phần ứng của mõy kớch từ nhờ sự tõc động tương hỗ giữa cõc lực từ của cuộn dđy độc lập vă cuộn ngược (toăn bộ dũng điện của mõy phõt chạy qua cuộn dđy năy) nằm ở phần tử thứ 2 của cực từ. Lực điện động Ek của mõy kớch từ được xõc định bằng cõch cộng toạ độ E1 văE2,từ đú đường đặc tớnh ngoăi của mõy phõt điện sẽ được xõc lập.
d. Vấn đề điều chỉnh sức kĩo vă tốc độ truyền động của đầu mõy:
Từ sơ đồ nguyớn lý của hệ thống truyền động điện (hỡnh 6), ta thấy rằng tốc độ chuyển động của đầu mõy cú liớn quan trực tiếp tới tốc độ vũng quay của trục roto
động cơ điện kĩo nđ:nđ =