Thiết kế hệ truyền động van không đảo chiều

tài liệu khoa học

phần 1: giới thiệu chung

Ngày nay, nền khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng,với sự yêu cầungày càng cao của sản xuất tự động hoá, đơn giản, thuận tiện trong quá trình thaotác, vận hành và mong muốn giảm đợc sức lao động của ngời sản xuất, và chi phí ởmức thấp nhất Nhng yêu cầu về mặt chất lợng sản phẩm không ngừng nâng cao Chính vì những yêu cầu ấy của ngời sản xuất mà các nhà khoa hoc, kỹ thuật đãnghiên cứu ra nhiều hệ thống truyền động,đã đợc đa vào ứng dụng nh:

- Hơn nữa, bộ chỉnh lu có thể dùng làm nguồn chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích từ của động cơ Xong tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động

mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lu cho phù hợp Có thể phân biệt theo số pha

- Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha

- Sơ đồ : hình tia, hình cầu

- Số nhịp : Số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn

- Khoảng điều chỉnh: Là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [Ud,

Id]

- Chế độ năng lợng : Chỉnh lu, nghịch lu

- Tính chất dòng : Liên tục, gián đoạn

Mà ở chế độ làm việc của chỉnh lu phụ thuộc vào phơng thức điều khiển vàcác tính chất của tải Trong truyền động điện tải của chỉnh lu thờng là cuộn kích từ(L - R) hoặc là mạch tần ứng động cơ (L - R - E)

1- Bộ biến đổi và suất điện động của nó.

a- Máy biến áp chỉnh lu ( máy biến áp động lực)

- Dùng để biến điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có cấp phù hợpvới cấp điện áp của động cơ

- Tạo số pha theo yêu cầu, tạo ra điểm trung tính khi cần thiết

- Các cuộn dây máy biến áp, có tác dụng nh cuộn kháng để hạn chế dòngngắn mạch, khi bộ biến đổi val làm việc do đó làm tăng tuổi thọ của val,trong trờng hợp không dùng máy biến áp, thì ngời ta chế tạo cuộn kháng ở

đầu vào của máy biến áp

- Nhờ có máy biến áp mà hệ thống đợc cách ly với lới điện

b- Các tổ val: Có nhiệm vụ dùng để chỉnh lu dòng xoay chiều thành

dòng một chiều và điểu chỉnh điện áp ra của bộ biến đổi

c- Cuộn kháng : CK gọi là cuộn kháng lọc ,dùng để cải thiện hình

dáng dòng điện một chiều bằng phẳng

2- Phân tích chế độ làm việc hệ truyền động (V - Đ)

Bộ biến đổi val động cơ có thể làm việc ở 3 chế độ:

- chế độ dòng liên tục

- chế độ dòng gián đoạn

- chế độ dòng biên liên tục

Các chế độ làm việc của bộ biến đổi phụ thuộc vào phơng thức điều khiển vàtính chất của tải Để tìm hiểu truyền động (V- Đ) Ta xét sơ đồ chỉnh lu hình tia 3pha (hinh a):

Sơ đồ thay thế : ở trạng thái tức thời xây dựng

Vì hệ 3 pha đối xứng nên khi nghiên cứu ta tách riêng mỗi pha để nghiêncứu, từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế (hình b):

e2 : Suất điện động thứ cấp máy biến áp

e2 = E2m sint

V: Ký hiệu dùng để chỉ chiều dòng điện

Uv : Sụt áp rơi thuận trên val.(Có thể bỏ qua vì nó rất nhỏ < 2V)

R: Điện trở phần ứng động cơ và điện trở cuộn dây máy biến áp

L: Điện kháng phần ứng động cơ và điện kháng máy biến áp cộng điện khángcuộn lọc

E: suất điện động của động cơ điện : E= K

Từ sơ đồ thay thế ta viết đợc phơng trình cân bằng điện áp Giả thiết ta mởval với góc mở  :

áp dụng Kiếchốp 2 ta có:

dt

di L iR E t

Sin

E2m (   0)   

Giải ra ta đợc: i(t) =

Giả thiết các val dẫn dòng trong khoảng  và p : là số lần đập mạch

Trong đó : p= 2m khi m lẻ và p = m khi m chẵn

sin 2

1 2 sin [

2 ) (

p t d i p

Vậy tuỳ thuộc vào  mà bộ biến đổi val có thể làm việc ở các chế độ khácnhau

a - Chế độ dòng liên tục : Khi một val nào đó đang dẫn dòng mà dòng điện

qua val đó giảm dần nhng cha giảm về 0 thì val kế tiếp sau đợc mở gọi là chế độdòng liên tục (đồ thị dòng và áp hình bên )

Trong đó ta thấy suất điện động chỉnh lu là những đoạn hình sin nối tiếpnhau, giá trị trung bình của suất điện động chỉnh lu đợc tính nh sau:

E

+

T

2

0

sin

) 2 (

(Ebm : biên độ lớn nhất suất điện động ra tơng ứng với  =0)

E2m : suất điện động lớn nhất của thứ cấp máy biến áp

Sơ đồ thay thế của hệ thống truyền động val khi nó làm việc ở chế độ dòngliên tục Đây là chế độ làm việc cơ bản của hệ thống truyền động van động cơ

b - Chế độ dòng gián đoạn :

Đó là hiện tợng khi dòng qua một van nào đó giảm dần về 0, khi dòng bằng 0thì val kế tiếp sau cha mở Dẫn đến tồn tại một thời gian dòng qua động cơ bằng 0.vậy bộ biến đổi van động cơ cung cấp xung dòng điện vào phần ứng động cơ Lúcnày động cơ điện đợc làm việc giống nh đợc đóng cắt vào nguồn điện một cách xen

t

c - Chế độ dòng biên liên tục

Đó là chế độ dòng qua val nào đó vừa giảm về 0 thì val kế tiếp sau đ ợc mở.Kiểu dòng biên liên tục cũng sẽ không tốt cho động cơ vì nó có xung dòng điện Đểkhắc phục chế độ này ta tăng điện kháng trong mạch hoặc tăng số lần đập mạch củasơ đồ hoặc nối song song điốt D0

3- Đặc tính cơ bản của hệ thống truyền động val động cơ.

Phơng trình cân bằng suất điện động:

I K

R R K

E

IR K

R I E

IR E R I E

u b Bm

u b

Bm

u b

Bm

cos

cos

cos

R R K

) (

Khi thay đổi góc mở  từ ( 0  1800) thì Eb biến thiên từ (EBm  -EBm) và ta

đợc một họ đờng đặc tính song song lằm ở bên phải mặt phẳng toạ độ ( ,I) Do cácval không cho dòng điện phần ừng đổi chiều

* Nhận xét :

Từ đặc tính cơ của hệ truyền động val động cơ ta thấy vùng ngoài đờng congelip làm việc ở chế độ dòng liên tục Vùng phía trong đờng cong Elip và dới thuộcchế độ dòng gián đoạn có đặc tính cơ cong, dốc, suy ra động cơ làm việc kém ổn

định ta có thể dùng biện pháp tăng điện kháng, tăng số lần đập mạch hoặc mắc Do

song song với tải để nhằm hạn chế vùng làm việc gián đoạn này

Nguyên nhân: Do năng lợng tích luỹ trong động cơ đủ lớn dẫn đến khi dòng

điện giảm không duy trì đợc dòng trên tải Vì vậy không nên cho động cơ làm việc

ở chế độ non tải hoặc không tải, những điểm làm viềc thuộc cung Elip thì bộ biến

đổi làm việc ở chế độ biên liên tục

Phân tích chế độ làm việc trên của bộ biến đổi khi điều chỉnh 

+ Để cho động cơ quay thuận : Ta mở val với góc mở  < 900 bộ biến đổilàm việc ở chế độ chỉnh lu suất điện động Eb = Ebm cos > 0, nó cung cấp năng l-

ợng cho động cơ dẫn đến máy điện làm việc ở chế độ động cơ ta có sơ đồ thay thế

u b

Bm

R R

E E

I





 cos

Vậy đây là chế độ làm việc cơ bản của hệ thống truyền động val động cơ Ta

có thể điều chỉnh vô cấp bằng cách thay đổi 

+ Khi động cơ quay thuận ta điều khiển  > 900 thì suất điện động :

Eb = EBmcos < 0

Dẫn đến bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lu

Sơ đồ thay thế :Do val V không cho dòng qua theo chiều ngợc => I = 0 và

động cơ làm việc ở chế độ hăm tự do Đối với tải là thế năng khi Eb < 0 => I = 0 =

0 => E < 0 Cho đến khi | E | > | Eb | thì xuất hiện dòng điện, đây chính là dòng

điện hãm

( A)

R R

E E I

u b

b h

* Ưu điểm : Hệ thống truyền động van động cơ đơn giản, tác động nhanh,

không gây ồn, dễ tự động hoá do các val bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất caothích hợp với hệ truyền động có công suất trung bình và lớn, thuận tiện cho việcthiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lợng các đặc tính tĩnh và

đặc tính động của hệ thống

* Nhợc điểm: các val có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lu ra có biên độ

đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong mạch điện và ở các truyền động có công suấtlớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lới xoay chiều Hệ số công suất coscủa hệ thống nói chung là thấp

Nh ta đã biết, để các val của bộ chỉnh lu có thể mở tại thời điểm mong muốn,thì ngoài điều khiển tại thời điểm đó trên val phải có điện áp thuận thì trên điện cực

điều khiển và Catốt của val phải có một điện áp điều khiển (gọi là tín hiệu điềukhiển) Để có hệ thống tín hiệu điều khiển suất hiện đúng theo yêu cầu mở val đãnêu ngời ta phải sử dụng một mạch điện tạo ra tín hiệu đó Mạch điện tạo ra tín hiệu

điều khiển gọi là mạch điều khiển hay còn gọi là hệ thống điều khiển bộ chỉnh lu

Điện áp điều khiển các Tiristo phải đáp ứng các yêu cầu thiết kế về công suất, biên

độ cũng nh thời gian tồn tại Các thông số cần thiết của tín hiệu điều khiển đợc chosẵn Do đặc điểm của Tiristo là khi val đã mở thì còn tín hiệu điều khiển nữa haykhông, không ảnh hởng đến dòng qua val Vì vậy, để hạn chế công suất của mạchphát tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng điện cực điều khiển ngời ta th-ờng tạo ra các tín hiệu điều khiển Tiristo có dạng xung, do đó mạch điều khiển còngọi là mạch phát xung điều khiển Các xung điều khiển đợc tính toán về độ dài

xung sao cho đủ thời gian cần thiết (với độ dự trữ nhất định) để mở val với một phụtải có thể có khi sơ đồ làm việc Thông thờng độ dài xung nằm trong giới hạn 200

- Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: Các hệ thống điều khiểnthuộc nhóm này tạo ra các xung điều khiển không tuân theo giá trị góc điều khiển.Vậy ta chỉ xét đến nhóm hệ thống điều khiển đồng bộ Mà ở đây là điều khiểnchỉnh lu theo nguyên tắc khống chế pha đứng:

- U1 là điện áp lới ( nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lu

- Unc là điện áp tựa thờng có rạng hình răng ca lấy từ đầu khối ra FSRC

ĐBH Uđk là điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều đợc đa từ ngoài vàodùng để điều khiển giá trị góc 

- Uđkt là điện áp điều khiển Tiristo là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu

ra hệ thống điều khiẻn (cũng là đầu ra của khối tạo xung) và đợc truyềntrên điện cực điều khiển (G) và katốt (K) của các Tiristo

Nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng, có thể

đợc tóm tắt nh sau: Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực bộ chỉnh lu đợc

đ-a đến mạch đồng bộ hoá củđ-a khối 1 và trên đầu rđ-a củđ-a mđ-ach đồng bộ tđ-a có điện ápthờng có dạng hình sin với tần số bằng tần số nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh l u vàtrùng pha hoặc lệch pha 1 góc xác định so với điện áp nguồn , điện áp này đợc gọi

là điện áp đồng bộ và ký hiệu Uđb Các điện áp đồng bộ đợc đa vào mạch phát điện

áp răng ca để khống chế sự làm việc của mạch này, kết quả là đầu ra của mạch phát

điện áp răng ca ta có hệ thống điện áp dạng hình răng ca đồng bộ về tần số và gócpha với các điện áp đồng bộ Các điện áp này gọi là điện áp răng ca Urc Các điện áprăng ca đợc đa vào đầu vào khối so sánh và ở đó còn có một tín hiệu điện áp khácnữa là điện áp điều khiển 1 chiều điều chỉnh đợc và đợc đa từ ngoài vào, hai tín hiệunày đợc mắc với cực tính sao cho tác động của chúng nén mạch và khối so sánh làngợc chiều nhau Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại nhữngthời điểm hai tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối so sánh sẽthay đổi trạng thái Nh vậy, khối so sánh là một mạch điện hoạt động theo nguyêntắc biến đổi tơng tự số do tín hiệu ra của mạch so sánh là dạng tín hiệu số nên chỉ

có 2 giá trị có hoặc không tín hiệu trên đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiệnvới chu kỳ bằng chu kỳ của Urc Nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện của môt xung nằmtrong vùng sờn xung nào của Urc đợc sử dụng, điều đó có nghĩa là tại thới điểm |Urc|

= |Uđk| ở phần sờn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng ca thì trên đầu ra của

khối so sánh sẽ bắt đầu xuất hiẹn một xung điện áp Từ đó ta thấy có thể thay đổithời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đồi giá trị của Uđk khigiữ nguyên Urc Trong một số trờng hợp thì xung ra từ khối so sánh đợc đa đến cựa

điều khiển của Tiristo, nhng trong đa số các trờng hợp thì tín hiệu ra khối so sánhcha đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển Tiristo Để có tín hiệu đủyêu cầu ngời ta thực hiện khuếch đại thay đổi hình dáng của xung Các nhiệm vụnày đợc thực hiện bởi một mạch gọ là mạch tạo xung

Trong sơ đồ chỉnh lu cầu hoặc sơ đồ hình tia nhiều pha ta có nhiều Tiristo đểtạo ra tín hiêu điều khiển cho nhiều val trong hệ thống điều khiển có 2 phơng pháp

- Sử dụng nhiều mạch phát xung giống hệt nhau, trong mỗi mạch đều cócác khối giống nhau và chúng chỉ khác nhau tín hiệu điện áp lới (khácpha) đặt vào mạch đồng bộ Mỗi mạch phát xung đợc dùng để tạo xung

điều khiển cho một val hoặc một số val mắc nối tiếp hoặc song song.mạch điều khiển loại này gọi là mạch nhiều kênh phát xung cho một valgọi là một kênh điều khiển

- Ngời ta sử dụng chung một mạch đồng bộ, một mạch tạo điện áp răng ca,một khối so sánh Nh vậy xung đầu ra của khối so sánh thờng có tần sốgấp n lần tần số nguồn (n=q) lúc đó để có n (hay q) kênh xung khác nhau

có tần số bằng tần số nguồn thì trong khối tạo xung phải có thêm mộtmạch điện làm nhiệm vụ phân chia xung đièu khiển loại này gọi là mạch

n

1 Động cơ xoay chiều 3 pha rôto lồng sóc.

Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc đợc sử dụng rộng giãi trong thc tế u

Điểm nổi bật của động cơ này là cấu tạo đơn giản,giá thành hạ,vận hành tinCậy,chắc chắn và đợc sử dụng trực tiếp trên lới điện xoay chiều không cần các Thiết bị biến đổi khác

th

th th

S a S

S

S

S

S a M

2

) 1

Với động cơ rôto lồng sóc có các phơng pháp điều chỉnh tốc độ nh :

Thay đổi điện trở ,điện kháng phụ mạch stator thay đổi điện áp đặt vào phầnứng động cơ

Ta thấy rằng:

Khi nối thêm điện trở điện kháng phụ vào mạch stator thì độ cứng đặc tính cơcủa động cơ giảm, mô men động cơ giảm không điều chỉnh đợc vô cấp vì mạch

động lc có công suất lớn không chế tạo đợc biến trở điều chỉnh trơn đợc

Khi giảm điện áp lới đặt vào động cơ thì mô men tới hạn giảm bình phơng lần sovới độ giảm điện áp trong khi tốc độ động cơ(tốc độ không đồng bộ ) vẫn không

đổi và độ trợt cũng không đổi

Nhận xét:

Ưu điểm :Sử dụng rộng rãi giẻ tiền cấu tạo đơn giản vận hành tin cậy ,chắcchắn sử dụng trực tiếp ở lới xoay chiều không cần phải kèm theo các bộ biến đổikhác

Nhợc điểm: động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc điều chỉnh tốc độ vàkhống chế Quá trình quá độ găp khó khăn các chỉ tiêu về khởi động và mở máyxấu

2 Động cơ không đồng bộ xoay chiều rôto dây quấn.

Với động cơ này ngoài những đặc điểm nêu ở phần động cơ không đồng bộrôto lồng sóc ra thì còn có thêm một số đặc điểm nh :

Về phơng pháp điều chỉnh tốc độ là thay đổi điện trở phụ mạch rôto do độngcơ có cấu tạo đặc biệt

I1

R2

Đặc tính cơ:

Khi thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ ở mạch rôto cũng gặpphải những khó khăn nh độ cứng đặc tính cơ giảm và không điều chỉnh đợc vô cấp

Nhận xét u nhợc điểm của loại động cơ này :

+ Ưu điểm : Đợc sử dụng rộng dãi trong đời sống, công nghiệp cấu tạo

t-ơng đối đơn giản, giẻ tiền mặc dù có cấu tạo phức tạp hơn động cơ xoay chiều rôtolồng sóc Làm việc tin cậy và chắc chắn, dễ sử dụng nngay trên lới xoay chiềukhông cần các thiết bị biến đổi khác

+ Nhợc điểm : Khởi động nặng nề , dòng mở máy lớn gây sụt áp lới Việc

điều chỉnh tốc độ có cải thiện hơn động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc nhng vẫngặp nhiều khó khăn, không điều chỉnh đợc vô cấp, không đáp ứng đợc yêu cầu côngnghệ

3 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp.

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ đợc mắc nối tiếp với cuộndây phần ứng động cơ nên cuộn kích từ có diện tích lớn điện trở nhỏ số vòng ít, dễchế tạo

R R K

R u u f .

) ( 2





   

Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp mềm và có độ cứng thay

đổi theo phụ tải do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biết đợc sự thay đổicủa phụ tải Tuy nhiên động cơ một chiều kích từ nối tiếp không đợc chọn cho hệthống truyền động có yêu cầu ổn định cao Nhng lại thuận lợi cho hệ thống truyền

I , I

kt

R

động có yêu cầu tốc độ thay đổi theo phụ tải, động cơ một chiều kích từ nối tiếp cókhả năng quá tải lớn về mômen.

Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn giá trị địnhmức nên từ thông động cơ cũng lớn hơn giá trị định mức do đó mômen của nó cũngtăng nhanh hơn so với sự tăng của dòng điện Nh vậy với mức quả độ của dòng điện

là nh nhau thì động cơ một chiều nối tiếp có khả năng chịu quá tải và mở máy tốthơn động cơ một chiều kích từ độc lập nhờ đó mà động cơ một chiều kích từ nốitiếp thích hợp cho những hệ thống truyền động làm việc quá tải lớn yêu cầu vềmômen khởi động lớn nh máy nâng hạ vận chuyển, máy cán thép

Từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năngchịu tải của động cơ không bị ảnh hởng bởi sụt áp của lới do đó động cơ này thíchhợp cho những truyền động dùng cho ngành giao thông có đờng dây cung cấp dài

Vậy do những đặc điểm trên và với yêu cầu của hệ thống mà đánh giá hệthống này không thích hợp với hệ thống này không sử dụng đợc

4 Động cơ điện kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ mắc độc lập với cuộndây phần ứng động cơ với nguồn là hoàn toàn độc lập so với nguồn của phần ứng

Khi nguồn một chiều có công suất lớn điện áp không đổi ta sử dụng động cơ

Cuộn kích từ động cơ mắc độc lập với phần ứng động cơ nguồn kích từ cũng

độc lập hoàn toàn nên ta có kt = const nên U = const ta thấy rằng đặc tính cơ hay

đặc tính cơ điện của nó là có dạng đờng thẳng tuyến tính cho nên độ ổn định tốc độcủa động cơ là rất cao

Mặt khác M KI u với  = const => M = const

Mà theo yêu cầu thiết kế hệ thống Mc = const đây là u điểm lớn để chọn

động cơ

Kết luận : Ta chọn loại động cơ một chiều kích từ độc lập vì nó đã đáp ứng

đ-ợc yêu cầu thiết kế của hệ thống và kinh tế nhất vơí khả năng điều chỉnh tốc độbằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ thì độ cứng đặc tính cơ làkhông đổi vì :

Họ đặc tính cơ là những đờng thẳng song song Mặt khác M = KI = constkhông phụ thuộc vào điện áp đặt vào phần ứng động cơ nên có khả năng điều chỉnhtốc độ một cách vô cấp Mc = const là u điểm mà yêu cầu thiết kế đợc thoả mãn.Ngoài ra nó còn có khả năng điều chỉnh tốc độ bằng các phơng pháp khác nh thay

đổi Rf, thay đổi từ thông nhng trong trờng hợp này ta không sử dụng

-II

k

kt

+

+ Các thông số ảnh hởng đến đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độclập.

Xuất phát từ biểu thức

M K

R R K

R u u f .

) ( 2





   

Giả thiết U =Uđm =const và   dm=const

Ta thay đổi R tc là đa điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ với trờng hợp nàythì:

a- ảnh hởng của điện trở phần ứng.

Xuất phát từ phơng trình ( * )

M K

R R K

U u u f .

) ( 2





   

Giả thiết U = Uđm = const và  = đm = const

Ta thay đổi R tức là đa Rf ào mạch phần ứng của động cơ với trờng hợp nàythì :

const K

dm

R R

K M





Nh vậy , Rf càng lớn thì đặc tính càng dốc và ứng với một phụ tải nào đó thì

Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm đồng thời dòng điện ngắn mạch vàmômen ngắn mạch cũng giảm theo

Nên thông số này thờn đợc ứng dụng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc

độ  < đm

b- ảnh hởng của điện áp phần ứng.

Từ phơng trình đặc tính cơ :

M K

R R K

U u u f .

) ( 2

R

K M

f u

c- ảnh hởng của từ thông

M K

R R K

U u u f .

) ( 2

(

var 2 0

Chơng 2: Giới thiệu các phơng pháp điều chỉnh tốc độ

Về phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có nhiều u việt hơn

so với các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễdàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản, đồng thời lại đạt đợcchất lợng điều chỉnh cao trong giải điều chỉnh tốc độ rộng Trong thực tế có cácphơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều là :

+ Điều chỉnh tốc độ điện áp đặt vào phần ứng động cơ

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ

Đối với động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập ta giới thiệu các phơng pháp

điều chỉnh tốc độ sau:

1- Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ.

Với giả thiết rằng  = đm , U = Uđm khi thay đổi điện trở phụ thì :

f u dm dm dm

R R K

const K

2-Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh từ thông

r

e

k b

k k

Với : rk là điện trở dây quấn kích thích

rb điện trở của nguồn điện áp kích thích

k số vòng dây của dây quấn kích thích

Trong chế độ xác lập :

k b

k k

r r

e i



Mặt khác : Khi điều chỉnh từ thông  từ điện áp phần ứng U đợc dữ nguyênbằng giá trị định mức do độ đặc tính có thấp nhất trong vùng điều chỉnh  là đặctính có điện áp phần ứng U= U đm và có đm gọi là đặc tính cơ tự nhiên

Tốc độ lớn nhất của giải điều chỉnh  bị giới hạn bởi khả năng chuyển mạchcủa cổ góp điện Khi giảm  để tăng  thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổgóp cũng bị xấu đi Mà để đảm bảo điều kiện để chuyển mạch bình thờng thì cầngiảm {I}, nhng khi đó M trên trục động cơ giảm rất nhanh M = kI Ngay cả lhi giữnguyên I thì độ cứng đặc tính cơ  cũng giảm nhanh khi giảm 

u

R

k ) 2 ( 

Ta có sơ đồ :

00

EE

I k

R R k

E

dk

u dm

ud b dm b

Từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên ta có độ cứng đặc tính cơ điện

và đặc tính cơ  = const Xong tốc độ không tải lý tởng phụ thuộc vào Uđk Do đó ta

max 0 max

Để thoả mãn dợc khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của giải điều chỉnhphải có Mnm là :

)(

1 (

) 1 (

1 ) (

max 0 max

min min

m

dm o

m dm dm

nm

k

M M

k

M D

k

M M

Nhng với một hệ thống cơ cấu máy cụ thể thì max , Mđm , km là hoàn toàn xác

định do đó mà D chỉ phụ thuộc tuyến tính vào  Mặt khác quá trình điều chỉnh

điện áp vào phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì tổng trở mạchphần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở mạch phần ứng động cơ

điện áp thì độ cứng của đặc tính  = const do đó  sẽ đạt giá trị cực đại ở đặc tínhcơ thấp nhất hay nói khác đi ở đặc tính này mã Stmin  [St] thì hệ luôn làm việc với

St  [St] trong toàn bộ giải điều chỉnh

Stmin

 ]

[ 0min

min 0 min 0

min min

0

min min 0 min

t dm

t t

S M

S S

Mà [St] , Mđm , 0min là hoàn toàn xác định

Ta xác định đợc giá trị xác định của  sao cho nó thoả mãn sai số < [St]

[Mc] = kđm Iđm = Mđm = const Phạm vi điều chỉnh tốc độ  và M thuộc phần gạch chéo trong hình chữ nhậttrên

) (

R M k

MR

R I E

E R

I E I

E I

dm

u u

b u

u u

b u

kể hiệu suất của cả hệ thống

Kết luận :

Ta chọn phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vàophần ứng động cơ vì nó đáp ứng đợc những yêu cầu thiết kế điều chỉnh một cách dễdàng, điều chỉnh vô cấp mà lại ít năng lợng hơn cả

K CK

RH

Trong đó: AT – aptômat

BAL - Biến áp lực BBĐ - Bộ biến đổi dùng sơ đồ cầu 1 pha, 2 Tiristo , 2 Điốt.R+C – Mạch bảo vệ

K – Tiếp điểm công tắc tơ

CK – Cuộn kháng lọc

RH - Điện trở hãm

b- Nguyên lý hoạt động của sơ đồ cầu 1 pha 2T, 2D.

Cũng nh các sơ đồ có D0 sơ đồ dùng 2D , 2T chỉ làm việc có hiệu quả khi tải

có điện cảm lớn vì vậy ta xét trờng hợp phụ tải có L =  Ta giả thiết từ t = 0 đến

t <  =  thì 2 val D1 và D2 đang dẫn dòng với tác dụng của suất điện động tự cảmsinh ra trong Ld Tại t =  =  ta truyền tín hiệu điều khiển để mở val T1, lúc này

T1 đang có điện áp thuận ( Vì khi D1 mở thì UT1 = U2 và tại  =  U2 >0 ), nên đủ 2

điều kiện để mở T1 Khi val T1 mở thì điện áp trên nó giảm về bằng 0 nên ta có UD1=

- U2 < 0 tức là D1 bị đặt điện áp ngợc và khoá lại Từ thời điểm này trong sơ đồ có 2val là D2 và T1 dẫn dòng điện áp nguồn xoay chiều U2 Tác động thuận chiều dẫndòng của 2 val này khi T1 và D2 cùng dẫn dòng thì ta có :

Ud = U2 ; iT1 = id = Id ; IT2 = 0 ; iD1 = 0 ; iD2 = id = Id

UT1 = 0 ; UT2 = - U2 ; UD = - U2 ; UD2 = 0

Đến thời điểm t =  thì U2 = 0 và bắt đầu chuyển sang âm, U2 lại bắt đầu

đặt điện áp thuận lên T1 và D1, do T2 cha có tín hiệu điều khiển nên cha mở còn D1

là Diốt nên mở Val D1 mở thì điện áp trên nó giảm xuống bằng 0 và ta có

UT1 = U2 Mà tại t =  thì U2 đang chuyển sang âm nên T1 sẽ bị đặt điện áp ngợc

và sẽ khoá lại Vậy từ t =  trng sơ đồ có 2 val là D1 và D2 cũng dẫn dòng Khi 2Diôt làm việc ta có :

Ud = 0 ; iT1 = 0 ; iT2 = 0 ; iD1 = id = Id ; iD2= id = ID

UT1 = U2 ; UT2 = -U2 ; UD1 = 0 ; UD2 = 0

Tại t = 2 =  +  thì val T2 có tín hiệu điều khiển lúc, đó T2 đang có điện

áp thuận, T2 mở dẫn đến val T2 mở => UT2 giảm đến 0 => UD2 = U2 < 0 (Tức D2 bị

đặt điện áp ngợc nên nó khoá lại ) Vì vậy từ t = 2 trong sơ đồ chỉ có 2 val T2 và

D2 dẫn dòng, khi đó ta có :

Ud = - U2 ; iT1 = 0 ; iT2 = id = Id ; iD1 = id = Id ; iD2 = 0

UT1 = U2 ; UT2 = 0 ; UD1 = 0 ; UD2 = U2

Đến thời điểm t = 2 thì U2 = 0 và bắt đầu chuyển sang dơng U2 bắt đầu

đặt điện áp thuận lên T1 và D2, do T1 cha có tín hiệu điều khiển nên cha mở còn D2

là Diôt nên D2 mở Val D2 mở thì điện áp trên nó giảm xuống bằng 0 và ta có UT2 =

- U2 Mà tại t = 2 thì U2 đang chuyển sang dơng nên T2 sẽ bị đặt điện áp ngợc và

sẽ khoá lại Vậy từ t =2  trong sơ đồ có 2 val là D1 và D2 cũng dẫn dòng Khi đó

ta có :

Ud = 0 ; iT1 = 0 ; iT2 = 0 ; iD1 = id = Id ; iD2= id = ID

UT1 = U2 ; UT2 = -U2 ; UD1 = 0 ; UD2 = 0

Tại t = 2 + 2 thì val T1 lại nhận đợc tín hiệu điều khiển lúc, đó T1 đang có

điện áp thuận, T1 mở dẫn đến val T1 mở => UT1 giảm đến 0 => UD1 = U2 < 0 (Tức D1

bị đặt điện áp ngợc nên nó khoá lại ) Vì vậy từ t = 3 trong sơ đồ lại lặp lại trạngthái ban đầu giống nh t = 1

Sự làm việc của sơ đồ đợc biểu diễn bằng đồ thị điện áp chỉnh lu dòng củacác val nh sau:

I- Chọn chế độ hãm cho hệ thống.

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen, quay ngợc chiều với tốc độ quaycủa động cơ (ở các trạng thái hãm thì động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát )

Ta xét động cơ Đ : Là động cơ điện một chièu kích từ độc lập nên có 3 trạngthái sau :

1- Hãm tái sinh (Trả năng lợng về lới )

Xảy ra khi  >  0 , lúc này E >U động cơ làm việc nh một máy phát songsong với lới So với chế độ động cơ dòng điện và mômen đổi chiều và xác định theo

I K M

R

K K

Ru

E U I

K

R R K

U

2 ) ( 



   

Hệ thống làm việc ổn định với ođ >

Trạng thái này, Ih đổi chiều và công suất đợc trả về lới là : P = (U- E)I

Đây là phơng pháp hãm kinh tế vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích nếu đủ

điều kiện hoà điện

Xét thực tế đề tài thì trong hệ thống truyền động van động cơ thì val (Tiristo )chỉ dẫn dòng theo 1 chiều nhất định nên khi động cơ sinh ra năng lợng trả về lới thìcác val không cho phép dẫn ngợc nên ta không sử dụng chế độ hãm này

2- Hãm ngợc:

Xảy ra khi phần ứng động cơ dới tác dụng của động năng tích luỹ trong các

bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngợc chiều với động cơ.Mômen của động cơ sinh ra khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất

Ta có thể thực hiện hãm ngợc theo 2 cách:

+ Đa Rf vào mạch phần ứng động cơ

h h

f u f u

u u h

I K M

R R

K U R R

E U I

và không thực hiện khi xảy ra sự cố mất điện

+ Đảo chiều điện áp

Tại  = 0 thì cần phải có thiết bị cắt phần ứng khỏi điện áp nguồn (Tại C)nếu không thực hiện đợc thì động cơ chuyển sang làm việc ổn đinh tại d với chiềuquay ngợc lại

f h

f u

u u f u

u u h

I K

M

R R

E U R R

E U I

E U

3- Hãm động năng:

Là trạng thái động cơ làm việc nh một máy phát mà năng lợng cơ học của

động cơ đã tích luỹ đợc trong quá trình làm việc trớc đó để biến thành điện năngtiêu tán trong mạch hãm dới dạng nhiệt

a- Hãm động năng kích từ độc lập

Cắt phần ứng khỏi lới đóng vào Rh, giữ nguyên mạch kích từ

h u

hd h

u

hd hd

hd hd

R R

K R

R

E I

K E

R R I K

R

R u h u h

) (

hđ1 M

C 2

R h1

hđ1 M

M K

R R R I K

R R R

R R

R R R

K R

R

R R R

E R

R R

E I

I I

I

kt h u kt

h u

h kt

h kt u h kt

h kt u kt h u u

kt h

u

) (

) //

(

) //

(

) //

động năng trên trục động cơ làm năng lợng hãm, mà ngay cả khi mất điện nó cũngkhông liên quan đến lới điện Vì vậy nó rất tin cậy chắc chắn , an toàn mà lại dễthực hiện

Ta dùng hệ thống điều khiển chỉnh lu theo nguyên tắc pha đứng với sơ đồkhối nh sau:

I- Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng ca (I).

Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện lặp di lặp lại với chu kỳ bằng chu

kỳ nguồn và điều khiển đợc thời điểm xuất hiện của chúng trong mỗi chu kỳ ta sửdụng các mạch phát xung mà tín hiệu điều khiển nó là tín hiệu có dạng răng ca

Hơn nữa để có điện áp răng ca có tần số và thời điểm đầu của mỗi xung răng

ca phù hợp với nguồn cung cấp thì ta cần phải dùng các sơ đồ tạo điện áp răng c a

đ-ợc điều khiển bởi điện áp đđ-ợc gọi là điện áp đồng bộ hoá

1- Mạch đồng bộ hoá.

bộ.Xong kiểu mạch này có sự liên kết trực tiếp về điện giữa 2 mạch độnglực và điều khiển nên ít đợc sử dụng

- Ta dùng mạch đồng bộ là một máy biến áp có công suất nhỏ để tạo ra các

điện áp đồng bộ phù hợp với yêu cầu thiết kế Hơn nữa, kiểu này còn khắcphục đợc mối liên kết về điện giữa 2 mạch động lực và điều khiển kể trên