CHƯƠNG 8: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY NÂNG CHUYỂN pdf

Khái niệm Điều chỉnh tốc độ là làm thay đổi tốc độ một cách có chủ định và độc lập với việc thay đổi tải của động cơ.. 2.Các chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ • Dải điều chỉnh là tỷ số giữa giá

Chơng 8 Truyền động điện máy nâng chuyển

8.1 Khái niệm chung

8.1.1 Truyền động điện

1 Định nghĩa

Hệ thống truyền động điện bao gồm các thiết bị phục vụ cho việc biến đổi năng lợng

điện - cơ và điều khiển quá trình biến đổi năng lợng đó

Trong các hệ thống truyền động điện luôn có dòng năng lợng và dòng thông tin Dòng năng lợng thể hiện quá trình truyền và biến đổi năng lợng điện từ lới thành năng lợng cơ cấp cho máy sản xuất

Dòng thông tin đợc tạo ra từ các quá trình phát hiện, thu thập, xử lý và truyền các thông tin cần thiết trong hệ thống truyền động điện Dòng thông tin bảo đảm cho dòng năng lợng diễn ra đúng mong muốn

2 Cấu trúc cơ bản

Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tuỳ thuộc vào số lợng, chủng loại các thiết bị

và các mối quan hệ của chúng với nhau trong hệ Cấu trúc cơ bản của các hệ thống truyền

động điện đợc thể hiện trên hình 8-1

195

Bộ biến đổi Động cơ sản xuấtMáy

Dòng năng lợng điện từ lới qua bộ biến đổi sẽ có các thông số thích hợp để đa tới động cơ Động cơ điện - phần tử chính của hệ thống - sẽ biến đổi điện năng thành cơ năng cần thiết cấp cho máy sản xuất để thực hiện quá trình công nghệ

Quá trình năng lợng trên diễn ra theo luật do bộ điều khiển quy định Các căn cứ để xác định quyết định điều khiển là tín hiệu của ngời điều khiển hoặc nguồn thông tin và các tín hiệu về trạng thái của hệ thống do kênh đo đa tới

Các thông tin cần thiết có thể đợc lu giữ, hiển thị nhờ các thiết bị đầu ra Hệ thống thực hiện giao tiếp với bên ngoài qua các thiết bị (cổng) ghép nối

3 Phân loại

Các hệ thống truyền động điện có cấu trúc cơ bản nh hình 8-1 có thể phân loại theo nhiều quan điểm

Theo loại động cơ điện có thể chia thành truyền động điện một chiều và truyền động

điện xoay chiều

Các hệ truyền động điện một chiều thờng hoạt động ở nhiều cấp tốc độ và thuộc loại truyền động điện điều chỉnh (tốc độ) Các truyền động điện chỉ hoạt động ở 1 cấp tốc độ đ-

ợc gọi là truyền động điện không điều chỉnh

Theo cách thức truyền động có truyền động đơn, truyền động nhóm và truyền động nhiều động cơ Trong hệ thống truyền động đơn, mỗi động cơ dẫn động cho một máy sản xuất Nếu một động cơ dẫn động cho nhiều máy sản xuất thì truyền động sẽ là truyền động nhóm Nếu mỗi cơ cấu của máy đợc dẫn động bằng một động cơ riêng thì truyền động đợc gọi là truyền động nhiều động cơ

Ngoài ra còn có nhiều cách phân loại truyền động điện khác

M

ω

1

2 3 4 5

Đặc tính cơ xác định với các điều kiện và thông số vận hành định mức của động cơ đợc gọi là đặc tính cơ tự nhiên Đặc tính cơ tự nhiên chứa điểm làm việc định mức của động cơ Các đặc tính cơ xác định với các điều kiện và thông số vận hành khác định mức đều đợc gọi

là đặc tính cơ nhân tạo Các sai khác định mức đối với truyền động điện

thờng là:

- Chế độ cấp điện với điện áp và tần số khác định mức

- thay đổi cách nối và đấu thêm các điện trở phụ vào các mạch cuộn dây

2 Các động cơ có tốc độ phụ thuộc mạnh vào mô men sẽ có đặc tính cơ mềm (β bé), đờng

b.Mô men quay phụ thuộc vào góc quay hoặc quãng đờng

c.Mô men quay phụ thuộc vào thời gian

2 Tính chất của mô men cản

Mô men cản thế năng nếu có chiều không phụ thuộc vào tốc độ quay Ví dụ nh mô men của thiết bị trục tải, nâng hạ tải, thang máy

Mô men cản phản kháng có chiều ngợc với chiều tốc độ quay tức là luôn chống lại chuyển động Mô men ma sát là ví dụ điển hình cho mô men loại này

cho máy sản xuất (Pcơ > 0) Trong chế độ này, mô men và tốc độ động cơ cùng chiều (cùng dấu) Mô men động cơ sinh ra dùng để khắc phục mô men cản, duy trì tốc độ quay Các

điểm làm việc ở chế độ động cơ nằm trong góc phần t thứ nhất và thứ ba, xem hình 8-3

• Hãm ngợc

Khi làm việc ở chế độ hãm ngợc, động cơ sẽ đồng thời nhận điện năng từ lới điện và cơ năng từ trục cơ (Pđ > 0, Pcơ < 0) Tất cả năng lợng này bị hao tổn trong các mạch của động cơ dới dạng nhiệt năng

• Hãm động năng

Động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng sẽ chỉ nhận cơ năng từ trục cơ (Pcơ < 0) Toàn bộ năng lợng này bị biến đổi thành nhiệt năng hao tổn hết trong mạch của động cơ

Hãm chiều ngược

dJM

(8-2)trong đó: M - mô men động cơ

Mc - mô men cản quy đổi về trục động cơ

J - mô men quán tính quy đổi về trục động cơ

ω - tốc độ động cơ

Từ phơng trình chuyển động có thể kết luận:

• nếu M > MC thì dω/dt > 0 và truyền động điện sẽ tăng tốc độ,

• nếu M < MC thì dω/dt < 0 và truyền động điện sẽ giảm tốc độ,

• nếu M = MC thì dω/dt = 0 và truyền động điện sẽ làm việc với tốc độ không đổi

8.1.5 Điều chỉnh tốc độ truyền động điện

1 Khái niệm

Điều chỉnh tốc độ là làm thay đổi tốc độ một cách có chủ định và độc lập với việc thay

đổi tải của động cơ Điều chỉnh tốc độ truyền động điện thờng nhằm bảo đảm các yêu cầu công nghệ Trong giáo trình sẽ chỉ đề cập tới việc điều chỉnh tốc độ bằng các biện pháp tác

động tới các thông số của nguồn điện cung cấp hoặc/và tác động tới các thông số của động cơ

2.Các chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ

• Dải điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị tốc độ làm việc lớn nhất và nhỏ nhất của truyền

động điện ứng với tải đã cho:

trong đó: ωmax - tốc độ làm việc lớn nhất;

ωmin - tốc độ làm việc nhỏ nhất

• Độ êm điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị tốc độ hai cấp kế tiếp nhau trong dải điều chỉnh

i

1 iω

ω

=

ωi , ωi+1 - tốc độ hai cấp kế tiếp nhau thứ i và (i + 1)

• Độ cứng đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ cần đủ lớn để ổn định tốc độ làm việc và duy trì độ chính xác điều khiển

199

• Tính kinh tế khi điều chỉnh tốc độ liên quan đến nhiều chỉ tiêu đánh giá chẳng hạn

nh chi phí đầu t, chi phí điều khiển tốc độ

8.2 Truyền động điện một chiều

8.2.1 Đặc điểm cơ điện của động cơ điện một chiều

1 Động cơ kích từ độc lập

a) Đặc điểm

Mạch kích từ và mạch phần ứng của động cơ độc lập nhau, hình 5 Động cơ một chiều

kích từ song song khi làm việc với lới điện công suất lớn cũng có thể coi là loại động cơ này

Hình 8- 4 Khái niệm về điều

chỉnh tốc độ động cơ

ωmax - Tốc độ cao nhất;

ωmin - Tốc độ thấp nhất;

+ I Ư

+

-Ikt

Trong các công thức (8-6) và (8-7) hằng số cấu trúc động cơ đợc tính theo:

a2

pNC

π

trong đó:

p - số đôi cực từ của động cơ

a - số đôi mạch nhánh song song của phần ứng

N - số thanh dẫn tác dụng của phần ứng

Thay các tính toán (8-6), (8-7) vào phơng trình (8-5) ta đợc:

Ư

RC

MC

U

Φ+ωΦ

U

Φ

−Φ

Theo hớng thay đổi điện áp phần ứng, tốc độ không tải lý tởng thay đổi còn độ cứng

đặc tính không đổi Họ đặc tính khi thay đổi điện áp phần ứng là các đờng thẳng song song với đặc tính tự nhiên, hình 8-7

Do phải bảo đảm điều kiện cách điện nên thờng chỉ hạn chế hớng điều chỉnh phía dới

nhiên Họ đặc tính theo hớng này đợc biểu diễn trên hình 8-9

2.Động cơ kích từ nối tiếp

a) Đặc điểm

Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ, hình 8-10 Vì dòng

điện phần ứng cũng là dòng điện kích từ nên từ thông kích từ phụ thuộc vào tải của động cơ

Nếu mạch từ cha bão hoà có thể coi quan hệ này là tuyến tính xác định bởi:

Ư

IK

U = + Ư Ư + kt + ph = + Ư (8-14)trong đó:

=ω

C

RIC

(8-15)Thay quan hệ (8-13) vào (8-15):

IƯ

RIKC

M= Φ = , (8-17)

hay

KC

RMKC

Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải cao, mô men mở máy lớn và ít nhậy cảm với sự thay đổi của điện áp cung cấp

c) Các thông số ảnh hởng tới đặc tính cơ

Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ta nhận đợc các đặc tính nằm dới đặc tính tự nhiên Các đặc tính nhân tạo này là họ đặc tính cơ quan trọng nhất của động cơ kích từ nối tiếp, xem hình 8 - 12

8.2.2 Mở máy, hãm và đảo chiều quay động cơ điện một chiều

R

U

I = (8-20)

Do điện trở phần ứng nhỏ nên dòng điện mở máy của động cơ lớn, thờng có cỡ (10 ữ

20) lần dòng điện định mức Dòng điện mở máy lớn tác động xấu đến động cơ đến các thiết

bị nguồn, thiết bị đóng cắt bảo vệ và hệ thống điện Biện pháp thờng dùng để hạn chế dòng

điện mở máy của động cơ một chiều kích từ độc lập là mắc thêm điện trở mở máy vào mạch phần ứng Khi đó, dòng điện mở máy xác định theo công thức 8-21 sẽ giảm:

mm

Ư mm

RR

UI

+

= (8-21)

trong đó: Rmm - điện trở mở máy

Điện trở mở máy đợc tính từ (8-21) và yêu cầu hạn chế dòng điện mở máy (thờng ở giá trị 2,5 lần dòng định mức)

Trong quá trình mở máy, khi tốc độ động cơ đã đủ lớn, điện trở mở máy sẽ đợc cắt dần từng cấp (cho tới hết hoàn toàn) ra khỏi mạch phần ứng Cuối quá trình mở máy, động cơ

sẽ làm việc với đặc tính tự nhiên

b) Động cơ kích từ nối tiếp

Để hạn chế dòng điện mở máy cũng dùng biện pháp mắc thêm điện trở mở máy vàomạch phần ứng Trong quá trình mở máy điện trở này sẽ đợc cắt dần từng cấp ra khỏi mạch phần ứng, xem hình 8- 14

Phơng trình đặc tính cơ vẫn có dạng (8-10) với chú ý là M < 0

( )2 RƯ

C

MC

U

Φ

−Φ

Khi phần ứng quay ngợc với chiều ở chế độ động cơ (tơng ứng với cách đấu xác định) thì động cơ sẽ làm việc ở chế độ hãm ngợc Có thể đa động cơ đang làm việc ở chế độ động cơ đến chế độ hãm ngợc bằng hai cách: mắc điện trở lớn vào mạch phần ứng và đổi cực tính

điện áp phần ứng Tơng ứng với hai biện pháp trên sẽ có hai chế độ hãm ngợc: hãm ngợc thả tải và hãm ngợc dừng máy khẩn cấp

Hãm ngợc thả tải chỉ áp dụng đợc với các tải có tính chất thế năng Giả sử động cơ

đang làm việc ở chế độ động cơ tơng ứng với điểm A trên hình 8-16 Mắc điện trở lớn vào mạch phần ứng sẽ đa động cơ sang làm việc với đặc tính cơ biến trở Trong đoạn BC mô men của động cơ nhỏ hơn mô men cản nên truyền động điện giảm tốc độ Tại điểm C tốc độ

động cơ bằng 0, mô men động cơ vẫn nhỏ hơn mô men cản (thế) nên động cơ sẽ tăng tốc theo chiều ngợc lại Đoạn CD tơng ứng với chế độ hãm ngợc thả tải của động cơ Truyền

động điện sẽ làm việc ổn định tại điểm D, lúc này mô men động cơ bằng mô men cản

Phơng trình đặc tính cơ vẫn có dạng (8-10) với điện trở phụ Rph:

( )2 (RƯ Rph)

C

MC

Φ

−Φ

=

ω (8-24)

Điện trở phụ lớn làm độ sụt tốc độ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng (ở vế phải của 24), thành phần thứ hai lớn hơn thành phần thứ nhất) và tốc độ sẽ âm Sức điện động trở nên cùng chiều với điện áp phần ứng Dòng điện phần ứng xác định theo:

(8-ph

Ư

Ư

RR

EUI

207

A B

C

D M

IƯ

Ikt

Rp

M C

A B

IƯ

Ikt

R

Phơng trình đặc tính cơ trong trờng hợp này là

( )2 (RƯ Rph)

C

MC

Φ

−Φ

EUI

ới dạng nhiệt Nh vậy ở chế độ hãm ngợc, động cơ gây tổn thất năng lợng lớn Mặt khác do

ảnh hởng của tổn hao nhiệt lớn, động cơ có nguy cơ bị quá nóng

Ư

RR

CR

R

EI

+

ωΦ

=+

= (8-29)

Mô men hãm tỷ lệ với dòng điện phần ứng và từ (8-29) có thể thấy ngay rằng để hãm nhanh (mô men hãm lớn) cần sử dụng điện trở hãm nhỏ Tuy nhiên điện trở hãm cũng cần phải đủ lớn để hạn chế dòng điện phần ứng ở giới hạn cỡ 2,5 lần dòng điện định mức

Trong chế độ hãm động năng, cơ năng trên trục đợc biến đổi thành điện năng rồi thành nhiệt năng tiêu hao hết trong mạch phần ứng và điện trở hãm

Để thực hiện biện pháp hãm động năng vừa trình bày cần duy trì dòng điện kích từ Khi mất nguồn điện kích từ thờng thực hiện biện pháp hãm động năng tự kích từ với cách nối cuộn dây kích từ song song với mạch phần ứng

3 Đảo chiều quay

Đảo chiều quay của động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng hai cách:

• đảo chiều dòng điện phần ứng, hình 8-19b);

-Hình 8-19 Động cơ một chiều a) quay chiều thuận b) quay chiều ngược

nhờ đảo dòng phần ứng, c) quay chiều ngược nhờ đảo chiều từ thông

8.2.2 Điều chỉnh tốc độ truyền động điện một chiều

1 Điều chỉnh điện áp phần ứng

Thay đổi điện áp phần ứng trong khi vẫn giữ từ thông không đổi sẽ nhận đợc các đặc tính điều chỉnh song song nhau, hình 8-20 Vì chỉ thực hiện điều chỉnh với điện áp nhỏ hơn

điện áp định mức nên tốc độ chỉ đợc điều chỉnh ở dải thấp hơn tốc độ định mức Phơng pháp

điều chỉnh này có dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh êm, độ cứng đặc tính không đổi trong toàn dải điều chỉnh Để bảo đảm chất lợng điều chỉnh cần bộ điều chỉnh điện áp vô cấp và những giải pháp nhằm nâng cao độ cứng đặc tính (phản hồi tốc độ, phản hồi điện áp phần ứng)

2 Điều chỉnh điện trở phụ phần ứng

Tốc độ động cơ đợc điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở điều chỉnh mắc ở mạch

phần ứng, xem hình 8- 21, hình 8-22 Họ đặc tính là các đờng thẳng qua điểm không tải lý tởng, có độ cứng tỷ lệ với điện trở mạch phần ứng và nằm dới đờng đặc tính tự nhiên, hình 8- 21, hình 8-22 Phơng pháp điều chỉnh này có dải điều chỉnh phía dới tốc độ định mức và không rộng lắm, đặc biệt là khi tải nhỏ Dòng điện qua điện trở điều chỉnh chính là dòng

điện phần ứng thờng có giá trị lớn gây khó khăn cho việc điều chỉnh có yêu cầu cao về độ

êm và gây tổn thất năng lợng lớn Thông thờng phơng pháp điều chỉnh này chỉ thực hiện thay đổi điện trở điều chỉnh theo cấp Độ cứng đặc tính điều chỉnh bị giảm theo độ sâu điều

chỉnh Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng đợc sử dụng cho tất cả các loại động cơ điện một chiều

3 Điều chỉnh kích từ

Họ đặc tính cơ khi điều chỉnh từ thông kích từ đã trình bày ở mục 2.1.1 Phơng pháp

điều chỉnh này đợc thực hiện bằng cách thay đổi điện trở trong mạch cuộn dây kích từ Rp.kt, qua đó điều chỉnh đợc dòng điện kích từ và từ thông kích từ của động cơ Việc điều chỉnh chỉ theo hớng giảm từ thông kích từ nên các đặc tính điều chỉnh sẽ có tốc độ không tải lý t-ởng cao hơn và mềm hơn so với đặc tính tự nhiên (xem phơng trình đặc tính cơ (8-10) Khi

tải nhỏ, tốc độ truyền động điện sẽ tăng Khi tải lớn có thể tốc độ sẽ giảm, xem hình 8-23

Do từ thông kích từ giảm nên khả năng tải của động cơ cũng giảm Việc điều chỉnh chỉ tác

động tới dòng điện kích từ (nhỏ hơn nhiều so với dòng điện phần ứng) nên dễ thực hiện với hiệu quả kinh tế cao

8.3 Truyền động điện xoay chiều

8.3.1 Đặc điểm cơ điện của động cơ điện ba pha không đồng bộ

bền chắc dới tác động của môi trờng, chi phí đầu t và vận hành thấp Nhợc điểm lớn nhất của nó là khó điều chỉnh tốc độ với chất lợng cao

Từ trờng làm việc của động cơ điện ba pha không đồng bộ quay với tốc độ

p

f60

n1 = (8-30)

trong đó: f - tần số dòng điện;

p - số đôi cực từ của cuộn dây stato

Khi làm việc ở chế độ động cơ, roto của động cơ sẽ quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độ quay của từ trờng Thờng dùng khái niệm độ trợt s để đánh giá sự chêch lệch tốc độ đó:

1

1

n

nn

(8-31)trong đó: n - tốc độ quay của roto;

n1 - tốc độ quay của từ trờng quay

Có thể thay thế động cơ điện ba pha không đồng bộ bằng mô hình mạch 1 pha nh hình 8-25 Điện trở R1 và R'

2 đặc trng cho tiêu hao công suất trên điện trở cuộn dây stato và roto

Điện trở R0 đặc trng cho tiêu hao công suất của động cơ khi không tải Các điện kháng X1,

X2 và X0 đặc trng cho quá trình tích phóng năng lợng trong từ trờng tản stato, roto và từ ờng chính của động cơ Công suất trên điện trở giả tởng R'

tr-2(1-s)/s biểu diễn công suất cơ của động cơ

2 Đặc tính cơ

Bởi vì giữa tốc độ quay và độ trợt có quan hệ một - một, nên thờng dùng quan hệ mô men quay - độ trợt thay cho đặc tính cơ của động cơ điện ba pha không đồng bộ Trong kỹ thuật điện, từ mô hình mạch có thể xác định đợc quan hệ

2 1 2 ' 2 1 1

' 2

2 1

XXsRRs

RU3M

+++

U1 - điện áp stato;

ω1 - tốc độ góc của từ trờng quay

Nếu biểu diễn quan hệ này trên hệ toạ độ có trục tung tơng đối đặc biệt: biểu diễn độ trợt bắt đầu từ 1 và giảm dần, ta sẽ nhận đợc đặc tính cơ của động cơ đang đề cập, hình 6-

25 Chú ý là giá trị s = 1 tơng ứng với giá trị tốc độ bằng 0 và giá trị s = 0 tơng ứng với giá trị tốc độ không tải lý tởng

Đặc tính cơ có điểm cực đại mô men ứng với độ trợt tới hạn

2 1

' 2 2

' 2 1

2 1

' 2 th

XX

RX

XR

Rs

+

≈+

2 1 2

' 2 1

2 1 1 1

2 1 th

XXR2

U3X

XRR2

U3M

++ω

Điểm tới hạn chia đặc tính cơ làm hai đoạn Tơng ứng với độ trợt nhỏ là đoạn đặc tính

có độ cứng cao và khá thẳng Các điểm làm việc ổn định của động cơ nằm trong đoạn này

Đoạn còn lại tơng ứng với độ trợt lớn hơn độ trợt tới hạn có độ cứng dơng và thay đổi nhiều

Động cơ làm việc không ổn định trên đoạn này

Điểm đặc tính cơ cắt trục mô men tơng ứng với điểm mở máy của động cơ vói mô men

mở máy Mmm Điểm đặc tính cơ cắt trục tốc độ tơng ứng với điểm không tải lý tởng với tốc

độ không tải lý tởng ω0

Với động cơ công suất trung bình và lớn, có thể viết phơng trình (8-31) dới dạng

s

sss

M2M

th th

max+

≈

(8-34)trong đó: Mmax - mô men cực đại xác định theo (8-33);

Mths

ω1