Bài giảng truyền động điện Nguyễn Xuân Huy 2016 (autosaved)

Điện công nghiệp, đặc tính cơ, chỉnh lưu 3 pha, chỉnh lưu có điều khiển, biến tần, bài tập, điều chỉnh tốc độ động cơ, bài tập, ví dụ

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

(ELECTRIC DRIVE)

Nha Trang, ngày 24 tháng 08 năm 2016

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 5

1.1 Định nghĩa và các cấu trúc của hệ thống truyền động 5

1.2 Phân loại hệ thống truyền động 9

1.2.1 Theo số cơ cấu chấp hành và động cơ 9

1.2.2 Theo dạng chuyển động của động cơ 9

1.2.3 Theo thiết bị truyền động 9

1.2.4 Theo khả năng điều chỉnh 9

1.2.5 Theo thông số điều khiển 10

1.2.6 Theo dạng điều khiển 10

1.3 Đặc tính cơ của động cơ và tải 10

1.3.1 Khái niệm đặc tính cơ của động cơ 11

1.3.2 Phân loại 12

1.3.3 Đặc tính cơ của tải 13

1.4 Chế độ làm việc của hệ thống truyền động 14

1.5 Phương trình động học của hệ thống truyền động 15

1.5.1 Phương trình moment cơ bản 15

1.5.2 Các thành phần cơ bản của moment cản 17

1.5.3 Một số dạng đặc tính tải thường gặp 17

1.5.4 Moment quán tính 18

1.5.5 Điều kiện ổn định tĩnh 18

1.6 Phép qui đổi về trục động cơ 19

BÀI TẬP 21

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 24

2.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều 24

2.2 Đặc tính cơ động cơ DC kích từ độc lập 24

2.3 Phương pháp điều chỉnh động cơ DC kích từ độc lập 22

2.3.1 Thay đổi điện áp phần ứng 22

2.3.2 Thay đổi điện trở phần ứng 23

2.3.3 Thay đổi từ thông 23

2.3.4 Điều khiển hỗn hợp phần ứng và từ thông kích từ 24

2.4 Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp 25

2.5.1 Thay đổi điện áp phần ứng 27

2.5.2 Điều khiển điện trở phần ứng 27

2.5.3 Điều khiển từ thông 28

2.6 Các chế độ làm việc của động cơ DC 29

2.7 Hệ truyền động máy phát – động cơ DC 35

2.8 Hệ truyền động bộ chỉnh lưu – động cơ DC 36

2.8.1 Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu 36

2.8.2 Các thông số đặc trưng ảnh hưởng 36

2.8.3 Các loại bộ chỉnh lưu 37

2.9 Hệ truyền động bộ chopper – động cơ DC 43

2.9.1 Hệ truyền động bộ chopper – động cơ DC 43

2.9.2 Hệ truyền động bộ chopper – động cơ DC kích từ độc lập 43

2.9.3 Các loại bộ Chopper thông dụng 46

BÀI TẬP 55

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 58

3.1 Mô hình của động cơ DC điều khiển vòng kín 58

3.2 Bộ điều khiển PID 60

3.3 Điều khiển vòng kín động cơ DC 61

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 62

4.1 Động cơ không đồng bộ ba pha 62

4.1.1 Đặc tính cơ tĩnh động cơ không đồng bộ ba pha 62

4.1.2 Khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha 64

4.2 Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 67

4.2.1 Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor 67

4.2.2 Điều khiển điện áp phần ứng 67

4.2.3 Điều khiển thay đổi tần số nguồn điện cung cấp cho động cơ 68

BÀI TẬP 69

CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 71

5.1 Bộ nghịch lưu ba pha và vector không gian 71

5.1.1 Bộ nghịch lưu ba pha 71

5.1.2 Vector không gian điện áp 72

5.2 Vector không gian hệ tọa độ stator () 74

5.2.1 Vector không gian 74

5.3 Hệ quy chiếu quay 75

5.3.1 Hệ tọa độ từ thông rotor (dq) 75

5.3.2 Chuyển đổi hệ tọa độ  sang dq và ngược lại 75

5.4 Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ từ thông rotor 76

5.4.1 Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu 76

5.4.2 Mô hình động cơ trong hệ truyền động từ thông rotor 77

5.5 Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1 Định nghĩa và các cấu trúc của hệ thống truyền động

Các hệ thống truyền động được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây truyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng

Hệ thống truyền động là phụ tải chính của hệ thống điện, theo ước tính của các chuyên gia khoảng 70%-75% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được

Hiện nay khoảng 75-80% các hệ truyền động là loại tốc độ không đổi, với các hệ thống này chỉ thực hiện quá trình khởi động và hãm Phần còn lại, chiếm khoảng 20-25%, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ để phối hợp được đặc tính động cơ và đặc tính tải yêu cầu

Hệ thống truyền động điện ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu được trong quá trình tự động hóa sản xuất nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn và điện tử công suất lớn với kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện

tử

Hệ thống truyền động điện là một hệ thống máy móc được thiết kế với nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng truyền chuyển động cho cơ cấu chấp hành để thực hiện quá trình công nghệ cũng như biến đổi cơ năng thành điện năng và điều kiển quá trình biến đổi này

Chức năng của hệ truyền động:

+ Biến đổi điện năng thành cơ năng và ngược lại

+ Điều khiển quá trình biến đổi năng lượng

+ Điều khiển chuyển động của cơ cấu chấp hành và các quá trình công nghệ

+ Điều khiển các thông số năng lượng cơ như công suất, momen, tốc độ, vị trí

Cấu trúc của hệ truyền động: Hệ truyền động được cấu tạo bởi hai thành phần: Phần động lực và phần điều khiển Phần động lực được chia ra phần động lực - điện: Nguồn điện, thiết bị biến đổi công suất, động cơ và phần động lực – cơ: rotor, trục động cơ, thiết bị truyền động, cơ cấu chấp hành (tải)

Nguồn điện

Thông thường là lưới điện xoay chiều 3 pha công nghiệp tần số 50 hoặc 60 Hz với điện

áp chuẩn 220, 380, 660, 6000, 10KV Trong một số trường hợp nguồn điện là một chiều (pin,

ắc quy…) Để cấp nguồn cho động cơ (ví dụ động cơ DC) cần phải biến đổi điện năng từ lưới thành dạng điện năng phù hợp với động cơ

Thiết bị biến đổi công suất

Là các thiết bị có chức năng biến đổi dạng năng lượng điện Các thiết bị này được sử dụng trong các hệ truyền động điều khiển tốc độ, mômen Các dạng bộ biến đổi công suất:

Bộ chỉnh lưu, Bộ biến tần, Bộ chopper, BBĐĐAXC

Bộ chỉnh lưu – Rectifiers: biến đổi điện áp, áp dòng điện xoay chiều thành một chiều

AC/DC Ứng dụng cấp nguồn cho các động cơ DC

Bộ biến đổi điện áp một chiều – Chopper DC – DC: biến đổi điện áp một chiều có

giá trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có giá trị trung bình thay đổi được

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều – AC – AC Convertor: biến đổi điện áp xoay chiều

có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được Ứng dụng cung cấp nguồn cho động cơ AC

Bộ biến tần gián tiếp AC – DC – AC: chỉnh lưu điện áp xoay chiều ngõ vào sau đó

chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng điện áp và tần số thay đổi được Ứng dụng cấp nguồn cho động cơ AC

Động cơ

Là phần tử chính của hệ truyền động có nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng và ngược lại Động cơ thông thường chuyển động quay và phân loại ra: động cơ DC, động cơ KĐB, động cơ ĐB, động cơ servo, động cơ bước

Thiết bị truyền động (TBTĐ): có chức năng truyền chuyển động, truyền cơ năng từ động cơ đến cơ cấu chấp hành, biến đổi dạng chuyển động, thích ứng về tốc độ, moomen, lực: Dây cu roa, khớp nối, bánh răng

Thiết bị điều khiển: Là tổ hợp các thiết bị có nhiệm vụ quan trọng điều khiển quá trình biến đổi năng lượng, quá trình công nghệ

 Thiết bị tín hiệu hồi tiếp: các cơ cấu đo lường, sensor dòng điện, điện áp, sensor tốc

độ, máy phát tốc, encorder

Cơ cấu chấp hành (tải)

Thực hiện quá trình công nghệ - máy cắt, máy bào, máy bơm, máy nén khí, máy nghiền giấy, cầu trục, thang máy, băng truyền, máy may, quạt…v.v

1.2 Phân loại hệ thống truyền động

1.2.1 Theo số cơ cấu chấp hành và động cơ

 Độc lập: 1 động cơ – 1 cơ cấu chấp hành

 Nhóm: 1 động cơ – 2 hay nhiều cơ cấu chấp hành

 Nhiều động cơ – 2 hay nhiều động cơ cho 1 cơ cấu chấp hành

 Liên kết: 2 hay nhiều động cơ cho 2 hay nhiều cơ cấu chấp hành, tạo chuyển động bằng các cơ cấu truyền động

1.2.2 Theo dạng chuyển động của động cơ

 Chuyển động quay

 Chuyển động tịnh tiến

 Chuyển động nhiều hướng

1.2.3 Theo thiết bị truyền động

 Không có thiết bị truyền động – trục động cơ gắn trực tiếp với cơ cấu chấp hành: quạt, bơm

 Có thiết trị truyền động

 Thiết bị truyền động tích hợp

1.2.4 Theo khả năng điều chỉnh

 Có điều chỉnh

 Không điều chỉnh

1.2.5 Theo thông số điều khiển

 Điều khiển theo momen

 Điều khiển theo tốc độ

 Điều khiển theo vị trí

1.2.6 Theo dạng điều khiển

 Điều khiển bằng tay

 Điều khiển bán tự động

 Điều khiển vòng hở

 Điều khiển vòng kín theo thông số của tốc độ của các cơ cấu chấp hành

 Điều khiển vòng kín theo vị trí

 Điều khiển theo chương trình sẵn

 Điều khiển theo dõi, thích nghi

1.3 Đặc tính cơ của động cơ và tải

Để thay đổi các đại lượng đặc trưng cho quá trình chuyển động máy công nghệ phải tác động lên chúng một lực F, hay mô men quay M, được tạo ra nhờ các lực đặt vào máy

M = F.R

Động cơ là nguồn sinh ra mô men quay Dấu của mô men đặt lên các phần cơ của hệ truyền động phải tương ứng với dấu của tốc độ

Quy ước tương đối: theo chiều kim đồng hồ là chiều dương (chiều thuận) và ngược lại (chiều nghịch) là chiều âm Như vậy tốc độ theo chiều thuận sẽ có dấu dương và theo chiều nghịch sẽ có dấu âm

Khi động cơ quay theo chiêu thuận, mô men M do động cơ sinh ra mang dấu + ở chế độ động cơ, biến đổi điện năng thành cơ năng và mang dấu âm khi động cơ làm việc ở chế độ hãm biến đổi cơ năng thành điện năng

Khi động cơ quay theo chiều nghịch thì dấu của mô men M có dấu dương ở chế độ hãm

và dấu âm ở chế độ động cơ

1.3.1 Khái niệm đặc tính cơ của động cơ

+ Mô men do động cơ sinh ra phụ thuộc vào tốc độ của nó

Động cơ theo chiều thuận

M  > 0

M > 0;  > 0

I

IV Hãm chiều nghịch

M  > 0

M < 0;  < 0

M(N.m)

 (rad/s)

+ Mối quan hệ giữa mô men do động cơ sinh ra và tốc độ của nó M() được gọi là đặc tính

cơ của động cơ

Đặc trưng cho đặc tính cơ của động là độ cứng của động cơ

Độ cứng của đặc tính 1 (tuyến tính) là không đổi

Độ cứng của đặc tính 2 (phi tuyến) là thay đổi

1.3.2 Phân loại

Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính của động cơ khi thông số nguồn cấp là định mức và không thay đổi nào trong các cuộn dây của động cơ Ví dụ động cơ không đồng bộ, khi điện áp và tần số là định mức

Đặc tính cơ nhân tạo – đặc tính cơ hiệu chỉnh: là đặc tính khi thay đổi thông số nguồn hay thêm điện trở phụ vào cuộn dây động cơ hoặc kết nối động cơ theo sơ đồ đặc biệt

W

dm

W dm

1: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ đồng bộ

2: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ DC kích từ độc lập

4: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ DC kích từ nối tiếp

5: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ

1.3.3 Đặc tính cơ của tải

Mô men tải Mc còn được gọi mô men cản tạo ra trên cơ cấu chấp hành

Mô men cản có thể là:

- Mô men có ích Mt dùng để thực hiện các quá trình công nghệ Phụ thuộc vào tính chất của tải Mô men này có thể độc lập hoặc phụ thuộc vào tốc độ, hoặc có thể là một hàm theo tốc độ, có thể bất biến hoặc biến thiên theo thời gian, và có thể thay đổi tùy theo chế độ hoạt động của tải

- Mô mem chống lại chuyển động đặc trưng bởi tổn hao, ví dụ ma sát, quạt gió hiện điện trên trục động cơ và các bộ phận khác của cơ cấu Mô men ma sát bao gồm ma sát trên trục động cơ và ma sát trên bộ phận qui đổi về trục động cơ

Mô men ma sát Mms có thể phân thành các thành phần:

- Mô men ma sát tĩnh Mms-t (nhỏ không đáng kể)

- Mô men ma sát khô (Ma sát coulomb) Mms-c

Mô men tải có thể phân thành hai dạng tổng quát

+ Mô men tải có tính thế năng

+ Mô men tải tính phản kháng

Mô men tải có tính thế năng không đổi dấu khi chiều chuyển động thay đổi các tải phụ thuộc trọng lực như cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy, hoặc tải của các cơ cấu nén, kéo thuộc vào loại tải này

Mô men tải có tính phản kháng luôn luôn chống lại chuyển dộng và thay đổi dấu khi chiều chuyển động thay đổi Mô men sinh ra do ma sát hoặc do các cơ cấu cắt gọt thuộc vào loại này

1: Đặc tính tải có tính thế năng

2: Đặc tính tải có tính phản kháng

3: Đặc tính cơ tỉ lệ với bình phương tốc độ

4: Đặc tính cơ tỉ lệ nghịch với tốc độ

1.4 Chế độ làm việc của hệ thống truyền động

Hệ truyền động có thể làm việc ở hai chế độ

- Chế độ động cơ: biến đổi điện năng thành cơ năng

- Chế độ hãm: biến đổi cơ năng thành điện năng

Pđiện – công suất nguồn cấp cho động cơ

Pcơ – công suất động cơ cấp cho tải

P

 - tổn hao công suất

Chế độ động cơ

Pđiện > 0: tiêu thụ công suất nguồn

Pcơ > 0: nhận năng lượng từ HTĐ

- Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn

co dien

Hãm ngược : tốn năng lượng nhất Công suất điện và công suất cơ chuyển thành nhiệt

- P điện > 0: tiêu thụ công suất về nguồn

- Pcơ < 0: nhận năng lượng từ tải  P P co  P dien

Hãm động năng : công suất cơ chuyển thành nhiệt Có tác dụng động cơ dừng nhanh Khi cắt

nguồn thì động cơ vẫn quay khi đó động cơ đóng vai trò là máy phát, sinh ra suất điện động

E, để tiêu thụ suất điện động này thì khi cắt nguồn thì ta nối với điện trở làm cho động cơ dùng nhanh hơn

- P điện = 0: cách ly với nguồn

- Pcơ < 0: nhận năng lượng từ tải  P P co

1.5 Phương trình động học của hệ thống truyền động

1.5.1 Phương trình moment cơ bản

Hay M co M c J d

dt



Khi: Mco > Mc tải cơ tăng tốc

Mco < Mc tải cơ giảm tốc

Mco = Mc tải cơ chạy với tốc độ ổn định, xác lập, trạng thái tĩnh

Mô men M mang dấu “+” khi HTĐ ở chế độ động cơ - cùng chiều với tốc độ, và dấu “-” khi làm việc ở chế độ máy phát – ngược chiều với tốc độ

Mô men cản được phân loại ra thành mô men có tính thế năng Mca nên có thể có dấu “+” hoặc dấu “-” và có tính phản kháng Mcp chỉ có dấu “-”

Ví dụ 1.1: Một hệ thống truyền động có mô men tải quy đổi về trục động cơ Mc = 10Nm, mô men quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ và mô men quán tính của động cơ là J = 0,05 kgm2

Giả thuyết cần có quan hệ tốc độ của động cơ  và thời gian t như hình Hãy tính quan

hệ mô men động cơ và thời gian cần thiết để đạt được sự biến thiên tốc độ như yêu cầu trên

376,8

0,8 0,2

d dt

M c  t   msk mst Trong đó: Mt: là moment tải

B : là moment ma sát nhớt

Mmsk: là moment ma sát cơ

Mmst: là moment ma sát tĩnh

C.: là moment cản của quạt gió làm mát

Trong đó, có một số đại lượng có giá trị nhỏ nên có thể bỏ qua: M c M t B.

1.5.3 Một số dạng đặc tính tải thường gặp

i i m

v m J

J J



Trong đó: Jm: là moment quán tính trục động cơ

Ji, i: là moment quán tính, tốc độ của phần tử quay thứ i

mj, vj: là khối lượng, tốc độ của phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j

1.5.5 Điều kiện ổn định tĩnh

Ổn định tĩnh là khả năng quay trở lại trạng thái làm việc ổn định của HTĐ khi có sự thay đổi

về vận tốc mô men hay trạng thái

Giải thích: bất cứ sự thay đổi nào ví dụ tốc độ ( 1 A) A là điểm xác lập, mô men của động

cơ sinh ra lớn hơn mô men tải M 0, làm cho tốc độ tăng trở lại, hệ truyền động ổn định lại

Giải thích: bất cứ một sự thay đổi nào ví dụ tốc độ ( 1 B), mô men động cơ sinh ra nhỏ hơn mô men tải M 0, làm cho hệ giảm tốc tiếp, hệ truyền động không ổn định tĩnh

Ví dụ 1.3: Sinh viên giải thích tính ổn định đặc tính cơ – tải hình dưới

1.6 Phép qui đổi về trục động cơ

Ta xét một hệ truyền động đơn giản nhất gồm rô to động cơ gắn trực tiếp với cơ cấu chấp hành (quạt, máy bơm,….)

J: mô men quán tính qui đổi về trục động cơ của hệ thống

JĐC: mô men quán tính của động cơ

J1: mô men quán tính của phần tử quay với tốc độ  1

J2: mô men quán tính với các phần tử quay với tốc độ 2

Ví dụ 1.4: Một hệ thống truyền động động điện cho thang máy như hình I Động cơ có tốc độ định mức ndm=1550v/ph Hiệu suất của hệ thống bánh răng là =0.8

Hãy tính mô men quán tính của toàn hệ thống qui về trục động cơ, mô men và công suất động cơ khi có đối trọng và khi không có đối trọng

Vận tốc góc của động cơ là:

s/rad22.16260

hệ thống Giả thiết tải tăng tốc tuyến tính theo thời gian? (Lưu ý: tốc độ góc của trống tời ωt=

vt/(D/2))

Bài 2: Một động cơ DC kích từ độc lập, 230V điện trở phần ứng 0,2, tốc độc không tải lý

tưởng là 1000 vòng/phút Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 40A Biết từ thông kích

từ không đổi bằng định mức

a Tính tốc độ và moment điện từ (moment cơ) định mức của động cơ?

b Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?

Bài 3: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức là 500V, 100A, 1000v/p

Điện trở phần ứng 1 Biết từ thông kích từ không đổi bằng định mức

a Tính moment và công suất định mức của động cơ?

b Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu biết công suất tổn hao của cuộn kích

từ là 5kw

c Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 40A Tính tốc độ, moment và hiệu suất của động cơ khi đó?

d Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?

e Vẽ đặc tuyến moment – tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên

Bài 4: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 400V, 100A, 1500v/p

a Tính công suất động cơ

b Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu công suất tổn hao của cuộn kích từ

là 3kW

c Động cơ mang tải và dòng điện phần ứng là 20A Tính tốc độ moment và hiệu suất của động cơ khi đó

d Tính dòng khởi động và moment khởi động của động cơ

Biết điện trở phần ứng là 0,5 và từ thông kích từ không đổi và bằng định mức

Bài 5: Một động cơ DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng là 0,2 và điện trở cuộn kích từ

là 0,1 Thông số định mức của động cơ là 450V, 40A, 1000v/p Khi động cơ vận hành ở định mức:

a Tính tốc độ, moment của động cơ?

b Tính công suất và hiệu suất của động cơ?

c Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ

Bài 6: một động cơ DC kích từ nối tiếp, vận hành ở chế độ định mức 161,2Nm, 1000v/p,

41A, 420V Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là 0,2 Tính tốc độ và dòng điện của động cơ khi moment điện 87Nm

Bài 7: Một động cơ DC kích từ độc lập, 400V điện trở phần ứng 0,2, tốc độ không tải lý

tưởng là 1500 vòng/phút Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 50A Biết từ thông kích

từ không đổi bằng định mức

a Tính tốc độ và moment điện từ (moment cơ) định mức của động cơ?

b Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?

c Vẽ đường đặc tính của động cơ

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

CHIỀU

2.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều

Động cơ một chiều – Động cơ DCC thường được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động cần thay đổi tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều

Một số ứng dụng quan trọng của động cơ điện một chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền (trong công nghiệp giấy)… Phân loại động cơ

2.2 Đặc tính cơ động cơ DC kích từ độc lập

Khi mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn điện một chiều độc lập với nhau Lúc này động cơ được gọi là động cơ một chiều kích từ độc lập

Iư: dòng điện phần ứng (A)

Uư: điện áp phần ứng (V)

Rư: điện trở phần ứng (Ω)

E: sức điện động động cơ (V)

M: mô men điện từ (N.m)

K: hệ số cấu tạo của động cơ

2.3 Phương pháp điều chỉnh động cơ DC kích từ độc lập

2.3.1 Thay đổi điện áp phần ứng

Rư = const, K = const, Ưu = var

- Vì điện áp phần ứng có thể điều chỉnh dưới định mức, phương pháp này chỉ dùng để điều khiển động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

- Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng:

+ Máy phát DC (Hệ máy phát – động cơ)

+ Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC – DC)

+ Bộ chopper (bộ biến đổi xung áp) (DC – DC)

2.3.2 Thay đổi điện trở phần ứng

Rư = var, K = const, Ưu = const

Khuyết điểm chính của phương pháp này là có hiệu suất hệ thống rất kém và độ cứng đặc tính cơ thấp, nhất là khi hoạt động ở tốc độ thấp

- Khi thêm điện trở phụ vào phần ứng của động cơ ta được một họ đặc tính nằm phía dưới với đặc tính cơ tự nhiên

- Độ cứng của đặc tính cơ giảm

2.3.3 Thay đổi từ thông

Rư = const, K = var, Ưu = const

- Thay đổi từ thông kích từ có thể thay đổi điện áp mạch kích từ hoặc thêm điện trở phụ vào mạch kích từ

- Điều khiển với từ thông suy giảm

- Tốc độ không tải lý tưởng tăng 0 Uu

- Mô men khởi động của động cơ M NM K I NMthay đổi giảm nhưng dòng điện ngắn

I

Ru

 không đổi

- Có thể điều chỉnh vùng phía trên đặc tính cơ tự nhiên

- Tốc độ cao nhất của động cơ đạt được khi giảm từ thông bị hạn chế bởi: sự không ổn định của động cơ gây ra bởi ảnh hưởng của phản ứng phần ứng, giới hạn về mặt cơ khí của động cơ: các động cơ thông thường cho phép tốc độ đạt đến 1,5 – 2 lần tốc độ định mức

2.3.4 Điều khiển hỗn hợp phần ứng và từ thông kích từ

Iư = const, Uư = var, K = var

Trong vùng dưới tốc độ định mức: K = const, nên M K I u= const, công suất P tăng tỉ lệ với tốc độ (điện áp) đến Pđm

Trong vùng tốc độ định mức: K  giảm, nên M K I u giảm, công suất P = Pđm vì tốc độ động cơ tăng

2.4 Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp

Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng Dòng kích từ Ikt cũng là dòng phần ứng nên từ thông biến đổi theo dòng phần ứng Iư

Các động cơ DC kích từ nối tiếp thường được thiết kế làm việc với từ thông định mức Với tải dưới định mức, từ thông tỉ lệ thuận với dòng tải

M: mô men điện từ (N.m)

K: hệ số cấu tạo của động cơ

: từ thông kích từ (Wb)

Ikt: dòng điện kích từ (A)

u kt

U I

cơ kích từ độc lập

Từ thông của động cơ Ф phụ thuộc vào dòng điện của phần ứng nên khả năng chịu tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện vì thế nó có thể được áp dụng trong giao thông khi đường dây cung cấp điện dài

Động cơ kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi mô men khởi động cao và

có thể quá tải nặng Vì sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn

so với khi dùng động cơ kích từ độc lập

Vì mô men tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện tải, nên khi có cùng một mô men, dòng điện phần ứng của động cơ DC kích từ nối tiếp sẽ nhỏ hơn động cơ DC kích từ độc lập

2.5 Phương pháp điều khiển động cơ DC kích từ nối tiếp

2.5.1 Thay đổi điện áp phần ứng

Vì điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới định mức, phương pháp này chỉ dùng

để điều khiển động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều khiển bằng cách sử dụng:

+ Máy phát DC (Hệ máy phát – Động cơ)

+ Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC – DC)

+ Bộ Chopper (Bộ biến đổi xung áp) (DC – DC)

2.5.2 Điều khiển điện trở phần ứng

Uu = const; Ru =var

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta mắc nối tiếp vào mạch kích từ một điện trở phụ Rf

2.5.3 Điều khiển từ thông

Uu = const; Ru = const; KФ = var  KФđm

Với động cơ DC kích từ nối tiếp, việc điều khiển từ thông được thực hiện bằng cách mắc điện trở song song với cuộn kích từ

Khi 0<Rf_kt<∞ dòng kích từ Ikt giảm làm suy giảm từ thông, tốc độ động cơ do vậy

mà tăng lên theo đường đặc tính 2 và 3

Cho phép điều chỉnh tốc độ ở vùng phía trên đường đặc tính cơ tự nhiên

Giới hạn về mặt cơ khí của động cơ: các động cơ thông thường cho phép tốc độ đạt đến 1,5 – 2 lần tốc độ định mức

2.6 Các chế độ làm việc của động cơ DC

Chế độ làm việc cảu động cơ có thể xác định từ chiều của hai đại lượng: E và Iu hoặc

M và :

Khi M và cùng chiều (E và Iu ngược chiều): chế độ động cơ

Khi M và ngược chiều (E và Iu cung chiều): chế độ máy phát – chế độ hãm

Khi M = 0 (Iu = 0): Chế độ không tải

Khi E = 0 ( = 0): chế độ khởi động

Cho phép điều chỉnh vùng phía trên đặc tính cơ tự nhiên

Giới hạn về mặt cơ khí của động cơ thông thường cho phép tốc độ đạt 1,5 – 2 lần tốc

độ định mức

Với điện áp phần ứng +Uuđm, 0, -Uuđm ta có 3 đường đặc tính song song

+ Chế độ không tải lý tưởng: động cơ không nhận năng lượng từ nguồn và từ tải Iu =

0; E = Uu = Ko ; M = 0;    o( Điểm làm việc A)

+ Chế độ khởi động (điểm làm việc B):

Tốc độ =0; E = 0; Iu = Inm = U/Ru khá lớn

Pđiện > 0; Pco = 0

Để giảm dòng điện khởi động cần thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng hoặc dùng các

bộ biến đổi công suất thay đổi điện áp phần ứng

+ Chế độ động cơ – (Khoảng AB) khi 0 < <  o

Tốc độ và mô men động cơ cùng chiều

E < U, Iu = (U-E)/Ru

Chiều của Iu trùng với Uu và ngược chiều với E

Pđiện > 0; Pco > 0

+ Chế độ hãm tái sinh – Regenerate braking – (khoảng AC) khi   o

E > U, Iu = (U -E)/Ru<0

Iu đổi chiều Chiều của Iu trùng với E và ngược chiều với Uu

Tốc độ và mô men động cơ ngược chiều

Pđiên = (E-U)*Iu<0; Pco < 0

Mô men hãm Mh = KФIuh < 0

Hãm tái sinh – giảm điện áp nguồn – (Iu đổi chiều)

Động cơ kéo tải dạng không đổi Mc với điện áp Uu1 làm việc xác lập tại điểm A (đặc tính 1) Giảm dần điện áp nguồn đến Uu2, động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B M<0; M <

Mc tốc độ động cơ giảm dần cho đến khi M = Mc tại điểm C

Trong đoạn B – B’, tốc độ động cơ   o, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh Hoàn toàn tương tự cho đoạn D – D’ Nếu ta giảm tiếp điện áp, thì tốc độ động cơ sẽ giảm về 0

Hám tái sinh - Đảo dấu điện áp nguồn – tải có tính thế năng, tốc độ đổi chiều

Đông cơ được năng tải cấp điện áp nguồn theo cực thuận và làm việc ổn định tại điểm A

Hạ tải: đổi dấu điện áp nguồn Động cơ khởi động lại theo chiều ngược tại điểm B và tăng nhanh tốc độ do tác động của mô men trọng tải (thế năng) Động cơ làm việc xác lập tại điểm D khi M = Mc, tải trọng được hạ với tốc độ ổn đinh

Trong khoảng CD: tốc độ động cơ   o, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh

+ Chế độ hãm động năng – Dynamic branking (Khoảng E0)

Ngắt nguồn cung cấp ra khỏi động cơ và nối phần ứng độngc wo qua một điện trở thích hợp

để dòng phần ứng không quá lớn Động cơ lúc này hoạt động như một máy phát cho tổn hao năng lương dưới dạng nhiệt

Dòng điện Iu đổi dấu xuất hiện dưới tác dụng của sức điện động E và cùng chiều với E Tại thời điểm ban đầu của chế độ hãm, tốc độ của động cơ là  0nên

cơ giảm dần tốc độ về 0

Nếu tải có tính thế năng, sau khi hãm động năng (BC), động cơ tăng tốc độ theo chiều ngược lại cho đến khi M = Mc, tại điểm D, động cơ làm việc ở trạng thái xác lập

Hãm động năng tự kích từ

+ Chế độ hãm ngược – khoảng BD

Hãm ngược là phương pháp hãm cho hiệu suất thấp, vì năng lượng của tải và nguồn đều tiêu hao hết trên điện trở phần ứng và điện trở hãm

Hãm ngược - tải có tính thế năng

Động cơ năng tải điểm A, ta đưa điện trở phụ Rf đủ lớn vào mạch phần ứng động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm B Tại B M<Mc nên tốc độ giảm nhưng tải vẫn năng lên cho đến khi tốc độ bằng 0 tại điểm C Sau đó dưới tác dụng của trọng tải chuyển động cơ quay theo chiều ngược lại, tải được hạ xuống với tốc độ tăng dần cho đến khi M = Mc, tại điểm D,

hệ thống xác lập với tốc độ không đổi 1 Đoạn đặc tính CD là đoạn đặc tính hãm ngược Khi hãm ngược tốc độ đổi chiều, sức điện động E đổi dấu và cùng chiêu với điện áp nguồn – dòng điện phần ứng rất lớn

Động cơ đang làm việc ở chế độ xác lập tại điểm A, ta đổi dấu điện áp phần ứng Uu và đưa điện trở phụ Rf đủ lớn vào mạch phần ứng động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở tại B Tại

B M<Mc nên tốc độ giảm cho đến khi tốc độ bằng 0 tại điểm C, Tại điểm C nếu ngắt nguồn

ra khỏi động cơ thì động cơ sẽ dừng lại Nếu không động cơ quay theo chiều ngược lại với tốc độ tăng dần cho đến khi M = Mc, tại điểm D, hệ thống xác lập với tốc độ không dổi 1 Đoạn đặc tính BC là đoạn đặc tính hãm ngược

Khi hãm ngược, dòng điện phần ứng đổi chiều và có giá tri khá lớn

2.7 Hệ truyền động máy phát – động cơ DC

Sơ đồ cấu trúc máy phát – động cơ:

G: máy phát DC

M: động cơ

Điện áp cung cấp cho ĐC chính là điện áp ra máy phát Điện áp này được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích từ MF qua việc điều chỉnh điện áp cung cấp cho cuộn kích từ

Phương trình đặc tính cơ của hệ F-Đ:

2.8 Hệ truyền động bộ chỉnh lưu – động cơ DC

2.8.1 Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu

+ Bộ chỉnh lưu thực hiện hai chức năng: chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, và thay đổi giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu

+ Dòng điện phần ứng có thể liên tục hoặc gián đoạn, phụ thuộc vào thông số động cơ, cấu hình bộ chỉnh lưu, góc kích và moment tải

+ Dòng điện gián đoạn phần ứng làm cho giảm độ cứng đặc tính cơ, đặc tính cơ rất dốc, phi tuyến Hệ thống làm việc không ổn định

Ưu điểm:

- Thay đổi điện áp dễ dàng bằng thay đổi góc điều khiển

- Thay đổi thiết kế dễ dàng bằng cách thay đổi linh kiện bán dẫn

Nhược điểm:

- Hệ số công suất thấp

- Méo dạng điện áp nguồn AC

- Dòng điện DC hoàn toàn không phẳng, thậm chí gián đoạn

2.8.2 Các thông số đặc trưng ảnh hưởng

Đặc tính cơ của hệ thống

Tính chất dòng điện phần ứng: liên tục hoặc gián đoạn?