Giáo trình truyền động điện (nghề điện công nghiệp) trường cđ cộng đồng lào cai

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GGIIÁÁOO TTRRÌÌNNHH MMÔÔNN HHỌỌCC TTRRUUYYỀỀNN ĐĐỘỘNNGG ĐĐIIỆỆNN NGHỀ ĐÀO TẠO ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG Lào Cai, năm 2017 1 BÀI MỞ ĐẦU KHÁ[.]

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

NGHỀ ĐÀO TẠO: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Lào Cai, năm 2017

BÀI MỞ ĐẦU

KHÁI QUÁT CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1 Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động:

Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ

2 Cấu trúc chung:

Hình 1-1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ

BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công

nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành

Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính:

- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các bộ biến đổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại),

bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor) Động cơ có các loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt

- Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành Đồng thời một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính điều khiển

3 Phân loại hệ thống truyền động điện tự động:

- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định

- Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ

- Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trinh

- Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v.v

- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự động

- Ngoài ra, cũng có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Bài 1- CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1 Các đại lượng đặc trưng cho các phần tử cơ học

1.2.2.1 Quy đổi mô men cản Mc và lực cản Fc về trục động cơ

+ Quan niệm về sự tính đổi như việc dời điểm đặt từ trục này về trục khác của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực Thường quy đổi mômen cản Mc, (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ

Hình 1-2- Mô men tang trống (trống tời TT) Mt , qua hộp giảm tốc (Bộ truyền lực TL) có tỷ số truyền là i

+ Giả sử tính toán và thiết kế người ta cho giá trị của mô men tang trống (trống tời TT) Mt , qua hộp giảm tốc (Bộ truyền lực TL) có tỷ số truyền là i và hiệu suất là ỗi Mô men này sẽ tác tác động lên trục động cơ có giá trị Mcqd gọi là

mô men quy đổi

- Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ của hệ TĐĐTĐ:

Trong đó : ựt - tốc độ góc của tang trống

ự - tốc độ góc quy đổi trên trục động cơ

ựd – tốc độ góc trên trục động cơ

Nếu là tải trọng G sinh ra lực Fc có vận tốc chuyển động là v nó xẽ tác động

Trong đó:

ủ = ựd /Vgọi là tỷ số quy đổi

i

M M

i

t cqd

.





i

t t cqd

dc

M M

P







t

d

i







d cqd t

i

F





 . .

.











 .

d t i

c cqd

F V F

4

ỗ = ỗi.ỗt - hiệu suất hệ truyền lực gồm bộ truyền lực và tang trống

ỗt - hiệu suất của tang trống

1.2.2.1 Quy đổi mô men quán tính về trục động cơ

Các cặp bánh răng có moment quán tính J1,J2 Jk, mô men quán tính Jt, khối lượng quán tính m và mômen quán tính động cơ Jd đều có ảnh hưởng đến tính chất động học của hệ truyền động

Nếu xét điểm khảo sát là đầu trục động cơ và quán tính chung của hệ truyền động tại điểm này gọi là Jqd (mô men quán tính quy đổi) lúc đó phương trình động năng của hệ là

Trong đó:

ik = ự /ựk - tỉ số truyền từ trục thứ i

it = ự /ựt - tỉ số truyền từ trục tang trống

Jqd - mômen quán tính quy đổi về trục động cơ

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện và máy sản xuất 1.3.1 Đặc tính cơ của động cơ điện

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và moment của động cơ Ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu như động cơ vận hành ở chế

độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ) Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có thể làm việc định mức

có giá trị Mđm, đm Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ  và được tính

ω

M β

Δ

Δ

 lớn ta có đặc tính cơ cứng,  nhỏ đặc tính cơ mềm,  đặc tính cơ tuyệt đối cứng

Truyền động có đặc tính cơ cứng tốc độ thay đổi rất ít khi moment biến đổi lớn Truyền động cơ có đặc tính cơ mềm tốc độ giảm nhiều khi moment tăng (xem H.1-3)

2 2

) 2

2

( 2

2

2 2

2 2

1

2 2

mV J

J J

J

d d

2 2 2 1

) (



m i

J i

J J

J

t t k k k d



2

3

Hình 1-3 Độ cứng đặc tính cơ 1- Đặc tính cơ mền

2- Đặc tính cơ cứng 3- Đặc tính cơ tuyệt đối cứng 1.3.2 Đặc tính cơ của máy sản xuất

Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng Tuy vậy phần lớn nó được biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát:

α m m

C C

ω

ω M

M

M = + ( - M )( )

® C0

®

Trong đó:

M∞ – Moment ứng với tốc độ  = 0

Mđm – Moment ứng với tốc độ định mức đm

MC – Moment ứng với tốc độ 

Ta có các trường hợp:

- ỏ = 0, MC = Mđm = const, các cơ cấu nâng hạ, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt thuộc loại này (đường 1, H.1-4a)

- ỏ = 1, moment tỉ lệ bậc nhất với tốc độ, thực tế rất ít gặp, về loại này có thể lấy ví dụ cho máy phát một chiều tải thuần trở (đường 2, H.1-4a)

- ỏ = 2, moment tỉ lệ bậc hai với tốc độ, là đặc tính của các máy bơm, quạt gió (đường 3, H.1-4a)

- ỏ = -1, moment tỉ lệ nghịch với tốc độ, các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, các truyền động quay trục trính máy cắt gọt kim loại có đặc tính thuộc loại này (đường 4, H.1-4a)

Ngoài ra một số cơ cấu của các máy có đặc tính khác, ví dụ:

- Moment phụ thuộc vào góc quay MC = f() hoặc moment phụ thuộc vào đường đi MC = f(S), trong thực tế các máy công tác có pittông, các máy trục không có cáp cân bằng có đặc tính thuộc loại này

- Moment phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi MC = f(,S) như các loại

xe điện

- Moment cản phụ thuộc vào thời gian MC = f(t), ví dụ như máy nghiền đá, quặng

Trên H.1-4b và c biểu diễn đặc tính của moment cản phản kháng và moment cản thế năng

- Moment cản thế năng (như trong các cơ cấu nâng hạ tải trọng), có đặc tính

MC = const và không phụ thuộc vào chiều quay (H.1-4b)

- Moment cản phản kháng luôn luôn chống lại chiều quay như moment ma sát, moment của cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại v.v (hình 1-4c)

Hình 1-4a

Hình 1-4a

Hình 1-4b Hình 1-4c

1.4 Các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện

Trong hệ truyền động điện, bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện - cơ Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của truyền động điện Ta định nghĩa: Dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ Pcơ = M. cấp cho máy sản xuất

Công suất cơ này có giá trị dương nếu như moment động cơ sinh ra có cùng chiều với tốc độ quay

Ngược lại, công suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và moment động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay

Moment của máy sản xuất được gọi là moment phụ tải hay moment cản

Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu của moment động

cơ



M

1 2

3

4

đm

MC0

M

Mc

2

Mc

1

M



Mc

Mc

M 

Phương trình cân bằng công suất của hệ truyền động là:

Pđ = PC + P Trong đó:

Pđ - công suất điện

PC - công suất cơ

P – tổn hao công suất

Tuỳ thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc của động cơ gồm: trạng thái động cơ và trạng thái hãm, (xem bảng 1-1)

- Trạng thái động cơ bao gồm chế độ có tải và không tải

- Trạng thái hãm gồm hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng

Hãm tái sinh Pđiện < 0, Pcơ > 0 cơ năng biến thành điện năng trả về lưới Hãm ngược Pđiện > 0, Pcơ < 0 điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất P Hãm động năng Pđiện = 0, Pcơ < 0 cơ năng biến thành công suất tổn thất P

Biểu đồ công suất

Pđiện Pcơ P Trạng thái làm

việc

tải

4 < 0 >0 = Pc – Pđ  - Hãm tái sinh

Pđ

P

Pđ

P

Pc

P

Pc

Pđ

P

Pc

Pc

Pđ

P

5 =0 < 0 = Pc + Pđ  - Hãm ngược

năng

Bảng 1-1 Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ

(M) ở góc phần tư thứ I, III: trạng thái động cơ, góc phần tư thứ II, IV: trạng thái hãm (xem H.1-4)

Hình 1-4: Trạng thái làm việc của truyền động điện trên các góc phần tư đặc tính

cơ

của động cơ điện

2.1 Đặc tính cơ của động cơ một chiều, các trạng thái khởi động và hãm

P

Pc

MC

Mđ



M



Trạng thái động

cơ

I

PC = Mđ. > 0

MC

Mđ



Trạng thái hãm I

PC = Mđ. < 0

MC

Mđ



Trạng thái động

cơ III

PC = Mđ. > 0

MC

Mđ



Trạng thái hãm I

V

PC = Mđ. < 0

2.1.1.Đặc tính cơ, trạng thái khởi động và hãm của động cơ một chiều kích

từ độc lập và song song 2.1.1.1 Phương trình đặc tính cơ

- Phương trình cân bằng điện áp:

Uư = Eư + Iư.Rư (1) Trong đó:

Uư - điện áp đặt vào mạch phần ứng (V)

Eư - sức điện động phần ứng (V)

Rư = rư + rcf + rb + rct + Rf

rư - điện trở cuộn dây phần ứng

rcf - điện trở cuộn cực từ phụ

rb - điện trở cuộn bù

rct - điện trở tiếp xúc của chổi điện

Rf - điện trở phụ trong mạch phần ứng () Mặt khác: Eư =

a π

Np

2 . = K.. (2) Trong đó:

K =

a π

Np

2 hệ số cấu tạo của động cơ

N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

p - số đôi cực từ chính

 - từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb

 - tốc độ góc, rad/s

a - Là số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

Eư = KE..n (3) Và:  =

60

2 n 

=

55 , 9

n

Vì vậy: Eư =

a

Np

60 .n

KE =

a

Np

60 hệ số sức điện động của động cơ

KE =

55 , 9

K

 0,105K

Từ (1) và (2) ta có:  =

Φ

­

K

U

- ­ Σ I­ K

R

Φ (rad/s) (4) Biểu thức (4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ, mặt khác mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:

Mđt = K..Iư (5)

RKT

KT

RP

Ư

hình 2-1a - Động cơ DC kích từ độc lập

RKT

KT

RP

Ư

hình 2-1b - Động cơ DC kích từ song song

 Iư =

Φ

K

M®t

Thay giá trị Iư vào (4) ta được:

 = Φ

­

K

U

K

R

®

­

( 2

Σ

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa là Mđt = Mcơ = M

Vậy:  =

Φ

K

U­

K

R

2 Σ

Φ) (

­ (rad/s) (7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.1.1.2 Đường đặc tính cơ :

Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông  = const, Đặt a =

Φ

K

U­

; b = Σ2

Φ)

K

R

(

­ ta có  = a - bM thì các phương trình đặc tính cơ là phương trình bậc nhất Nên đường đặc tính cơ điện và đặc tính cơ là đường thẳng được biểu diễn trên hình 2-2a và hình 2-2b:

hình 2-2a hình 2-2b Đặc tính cơ điện Đặc tính cơ Theo đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:

 = Φ

­

K

U

= 0 (8)

0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Khi  = 0 ta có:

Iư =

Σ

­

R

U

= Inm

M = K..Inm = Mnm

Inm, Mnm được gọi là đòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch

2.1.1.3 Khởi động động cơ 1 chiều kích từ độc lập và song song

0

đm

I



0

đm

M



11

Từ phương trình: Iư =

Σ

R­

­

­ - E

U

(1)  Imm =

Σ

R­

E

-U

(2)

Từ công thức trên cho thấy dòng kích từ nhỏ nên dòng điện của động cơ chủ yếu

là dòng phần ứng vì vậy dòng điện phần ứng khi khởi động là chiếm đa số dòng khởi động của động cơ (gọi là dòng mở máy Imm)

- Khi bắt đầu mở máy tốc độ rô to bằng 0 thì E bằng 0, nên ta có:

Imm =

Σ

R­

U

= (1020)Iđm (3)

 Mô men mở máy: Mmm = KM.đm.Imm (4)

Từ (3) và (4)  Mmm = (1020)Mđm (5)

* Kết luận:

- Từ phương trình (3) cho thấy khi mở máy, dòng mở máy rất lớn, sẽ ảnh hưởng đến lưới điện và phụ tải dùng chung lưới điện

- Từ phương trình (5) cho thấy khi khởi động thì mô men khởi động rất lớn gây rung giật làm ảnh hưởng xấu về mặt cơ học và ảnh hưởng đến hệ truyền động Vậy để giảm bớt các ảnh hưởng nêu trên cần phải hạn chế dòng mở máy sao cho:

Imm = (1,52,5)Iđm

* Giải pháp giảm dòng mở máy:

a/ Mở máy động cơ điện một chiều kích từ độc lập và song song bằng điện trở phụ ở mạch phần ứng

- Khi khởi động ta mắc các điện trở phụ sau đó ta loại dần các điện trở trong quá trình khởi động(hình 2-3a)

RKT

KT

G3

G2

G1

Ư

hình 2-3 a-

2

1

A

0 Mc MD Mn

M

 0 đm

3 2 1

­

mm

R R R r r r

U I















- Khi bắt đầu mở máy thì: n = 0, Mmm = (1,52,5)Mđm động cơ làm việc trên đường đặc tính số 4 hình 2-3b

- Khi tốc độ tăng thì mô men giảm, khi mô men giảm MD = (1,11,3)Mđm thì loại điện trở phụ thứ 3 Động cơ làm việc trên đường đặc tính số 3 hình 2-3b, lúc này

mô men tăng bằng với mô men mở máy

- Tốc độ tiếp tục tăng đến n2 > n1 thì mô men lại giảm về MD, lúc này loại điện trở phụ thứ 2, động cơ chuyển sang làm việc trên đường đặc tính số 2 hình 2-3b

Mô men lại tăng lên bằng mô men mở máy Tốc độ tăng lên n3 > n2, mô men giảm đến MD thì loại điện trở phụ thứ nhất, động cơ chuyển sang làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên, đường số 1 hình 2-3b Mô men lại tăng kim lên bàng

Mmm

- Tốc độ tiếp tục tăng lên điểm làm việc ổn định tại điểm A thì tốc độ của động

cơ ổn định

b/ Mở máy động cơ bằng giải pháp thay đổi điện áp phần ứng.(hình 2-4a)

- Ta có: Imm =

Σ

R­

U

thì Imm giảm

- Đường đặc tính:

Từ công thức:  =

Φ

K

U­

K

R

2 Σ

Φ) (

­

  = a - b.M

không đổi + Khi n = 0 thì Mmm  Uư = U1 Động

cơ làm việc trên đường đặc tính số 3 hình 2-4b

+ Khi n = n1 (n1 > 0) mô men giảm xuống bằng MD, tức là từ (1,11,3)Mđm thì tăng Uư = U2 (U2 > U1) Động cơ làm việc trên đường đặc tính số 2 hình 2-4b,

mô men tăng bằng Mđm + Khi n = n2 (n2 > n1) mô men giảm bàng MD thì Uư = U3 (U3 > U2) Động cơ làm việc trên đường đặc tính số 1 hình 2-4b (U3 = Uđm)

2.1.1.4 Trạng thái hãm động cơ điện

RKT

KT

Ư

Bộ biến đổi điện áp

hình 2-4a

0 MD M nm

n0

A

M c

M

n

hình 2-4b