điều khiển tự động truyền động điện ac dc

CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG Chế độ hãm ngược động cơ nhận cơ năng từ tải biến thành điện năng đồng thời nhận năng lượng từ lưới điện và chuyển các năng lượng này thành tổn thất tr

Trang 1

ĐẠI HỌC NHA TRANG

Bài giảng:

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

AC & DC

Biên soạn: ThS Trần Công Binh

THÁNG 1 NĂM 2010

Trang 20

3

1 Định nghĩa và các cấu trúc của hệ truyền động

2 Phân loại hệ truyền động

I TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG

2 Phân loại hệ truyền động

3 Ví dụ về hệ truyền động

4 Đặc tính cơ của động cơ và tải

5 Chế độ làm việc của hệ truyền động

2009

6 Phương trình động học của hệ truyền động

7 Phép quy đổi cơ khí trong truyền động

8 Các thông số đánh giá chất lượng hệ truyền động

4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ VÀ TẢI

Các đại lượng đặc trưng cho chuyển động

ϕ

Trang 21

4

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 momen

quay M, được tạo ra nhờ các lực đặt vào máy

FR

2009

Tạo mô men quay cho cuộn tời và trong động cơ

Động cơ là nguồn sinh ra momen quay Dấu của momen 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 ngược sẽ

có dấu âm

Khi động cơ quay theo chiều thuận, mô men M do động cơ

sinh ra mang dấu dương ở chế độ động cơ, biến đổi điện năng

2009

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

Trang 22

5

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

Mối quan hệ giữa mô men do động cơ sinh ra và tốc độ của nó

M(ω) được gọi là đặc tính cơ của động cơ

Động cơ theo chiều thuận

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

ωω

Trang 23

6

Phân loại đặc tính cơ

Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính của động cơ khi thông số nguồn ặ ự ặ ộ g g g

cấp là định mức và không có sự 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 nhân tạo ‐ đặc tính hiệu chỉnh: là đặc tính khi thay đổi

2009

thông số nguồn hay thêm điện trở phụ vào cuộn dây động cơ hoặc

kết nối động cơ theo sơ đồ đặc biệt

Đặc tính cơ của các loại động cơ cơ bản

1 ‐ Đặc tính cơ tự nhiên của

Trang 24

7

Đặc tính cơ của tải.

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

hành

Mô men cản có thể là

‐ Mô men có ích dùng để thực hiện quá trình công nghệ Phụ

thuộc vào tính chất của tải Momen này có thể độc lập hoặc phụ

thuộc vào tốc độ, hoặc có thể là một hàm nào đó 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

2009

tùy theo chế độ hoạt động của tải

‐ Mô men chống lại chuyển động đặc trưng bởi tổn hao, ví dụ

ma sát , quạt gió

Mô men chống lại chuyển động đặc trưng bởi tổn hao, ví dụ ma

sát , quạt gió hiện diện trên trục động cơ và các bộ phận khác

của cơ cấu. Momen ma sát bao gồm momen ma sát trên trục

động cơ và ma sát rên các bộ phận khác quy đổi về trục động cơ

động cơ sẽ sinh ra momen chống lại chuyển động này Momen

quạt gió tỉ lệ với bình phương tốc độ Mq= Cω2

Trang 25

8

Mối quan hệ giữa mô men tải và tốc độ của nó Mc(ω) được gọi

là đặc tính cơ của tải

Н

0 СН 0 С

М М М

− +

=

Н 0 СН 0 С

М М М

− +

=

5 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ 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 cơ động cơ cấp cho tải

ΔP– tổn hao công suất

2009

Trang 26

Pcơ

Tải

Pcơ>0

Pco Pdien

Chế độ hãm tái sinh : khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ lý

tưởng. động cơ biến cơ năng thành điện năng trả về lưới

Lưới điện

ΔPHTĐPđiện

Trang 27

10

Chế độ hãm động năng: động cơ được ngắt ra khỏi nguồn. Cơ

năng được biến thành điện năng và chuyển năng lượng này

thành tổn thất trên hệ dưới dạng nhiệt

Chế độ hãm ngược động cơ nhận cơ năng từ tải biến thành điện

năng đồng thời nhận năng lượng từ lưới điện và chuyển các

năng lượng này thành tổn thất trên hệ dưới dạng nhiệt

Trang 28

11

6 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC HỆ TRUYỀN ĐỘNG

Chuyển động trong hệ truyền động có thể là chuyển động quay

hoặc chuyển động tịnh tiến

dt

dJ dt

d J

∑

Chuyển động tịnh tiến

dm dv

∑

Tải

McĐộng cơ

dv m

Trang 29

12

Giả thiết khối lượng và mô men quán tính hầu như không đổi

trong quá trình điều khiển

d J

KhiΣM>0 hay ΣF>0: hệ chuyển động nhanh dần

KhiΣM<0 hay ΣF<0: hệ chuyển động chậm dần

Khi ΣM 0 h ΣF 0 hệ h ể độ ới tô độ khô đổi

Tác động lên hệ truyền động quay là momen do động cơ sinh

ra M và momen cản chuyển động Mc, chúng có hướng ngược

nhau, nên

d J M

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 momen có tính thế năng

Mca nên có thể có dấu « + » hoặc dấu « » và momen có tính

dt J M

M± TAI − ω = ω

±

Trang 30

Xác định tốc độ động cơ ở chế độ xác lập khi biết được các đặc

tính cơ của động cơ và tải bằng 2 cách

‐ Bằng phương pháp giải tích: cân bằng mô men do động cơTrạng xác lập ở

sinh ra trong phương trình đặc tính cơ của động cơ với mo

Trang 31

14

Điều kiện ổn định tĩnh của hệ truyền động

Ổn định tĩnh là khả năng quay trở về trạng thái làm việc ổn

định của HTĐ khi có sự thay đổi về vận tốc, mô men hay trạngy y g

0

<

−βCβ

Ta xem xét hai

sau:

Trong trường hợp 1: bất cứ một sự thay đổi nào ví dụ tốc độ

giảm (ω1 < ωxaclap), mô men của động cơ sinh ra lớn hơn mô

men của tải hay ΣM>0, làm cho tốc độ tăng trở lại, hệ truyền

động ổn định động

2009

Trong trường hợp 2: bất cứ một sự thay đổi nào ví dụ tốc độ

giảm (ω1 < ωуст), mô men của động cơ sinh ra nhỏ hơn mô

men của tải hay ΣM<0, làm cho tốc độ giảm tiếp, hệ truyền

động không ổn định tĩnh

Trang 32

7 PHÉP QUY ĐỔI VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ

Ta xét hệ truyền động đơn giản nhất gồm rô to động cơ gắn

trực tiếp với cơ cấu chấp hành (quạt, máy bơm…)

Trang 33

16

Tuy nhiên trong thực tế các hệ truyền động phức tạp hơn nhiều

về cấu trúc, trong đó các phần tử có dạng chuyển động và tốc

độc chuyển động khác nhau nhờ hệ thống các thiết bị truyền

động (như bánh răng, cuộn tời)

2009

Trong trường hợp này không thể sử dụng phương trình trên

được vì mô men M và Mc được đặt ở hai trục khác nhau và các

phần tử vơi mô men quán tính quay với tốc đọ khác nhau

Để sử dụng được phươg trình chuyển động trên ta phải quy đổi

các mô men cản và mô men quán tính của tất cả các phần tử hệ

thống về trục động cơ

Trong đó MCvà J là mô men

cản và mô men quán tính

của hệ đã quy đổi về trục của

động cơ Hai thông số này

2009

động cơ Hai thông số này

được xác định nhờ vào định

luật bảo toàn động năng và

bảo toàn năng lượng

Trang 34

17

7.1 Xác định mô men quán tính quy đổi hệ truyền động

Nguyên tắc quy đổi là bảo toàn động năng tích lũy của hệ

thống Theo sơ đồ nguyên lý hệ truyền động

22

2

2 2

2 1 1

2

m J

J J

Trong đó

J‐ mô men quán tính quy đổi về trục động cơ của hệ thống

JĐC‐ mô men quán tính của động cơ

J1 ‐ mô men quán tính các phần tử quay với tốc độ ω1=ω

2009

J2 ‐ mô men quán tính các phần tử quay với tốc độ ω2

Sau một và phép biến đổi ta co thể nhận được

2 2

ωω

m J

J J

Trong đó:

i z

ω

‐ Tỷ số truyền tốc độ

ρω

ω

ω = = i =

R R

2 1

1 mρ

i J J J

Trang 35

18

Biểu diễn phép quy đổi dưới dạng tổng quát

j

j j n

JĐC: momen quán tính của động cơ,

Jk: momen quán tính của phần tử quay thứ k,

mj: khối lượng của phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j

7.2Xác định momen và lực cản quy đổi về trục động cơ

Nguyên tắc quy đổi là dựa vào sự cân bằng công suất trong

phần cơ của truyền động thực và HTĐ quy đổi

M

Mc – mô men tải đã quy đổi vể trục động cơ (N.m)

MTAI – mô men tải (Nm)

ω

i

M M

Trang 36

19

B‐ Nếu cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng

η

ω TAI TAI C

V F

F V

ρ

mgR mg

V F

M

=η

ω

i

R F F

TAI C

C

ηω

=

Trang 37

20

8 CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HTĐ

8.1 Vùng điều khiển tốc độ

‐ Nếu cao hơn đặc tính tự nhiên thì gọi là hiệu chỉnh vùng trên

‐ Nếu thấp hơn đặc tính tự nhiên gọi là hiệu chỉnh vùng dưới

Nế điề hỉ h ả t ê à d ới đặ tí h t hiê i là điề

‐ Nếu điều chỉnh cả trên và dưới đặc tính tự nhiên gọi là điều

chỉnh 2 vùng

8.2 Dải điều chỉnh tốc độ. Dải điều chỉnh tốc độ càng cao đòi

hỏi độ cứng đặc tính cơ của hệ thống BBĐ‐ĐC càng lớn

Hệ TĐĐ là vô cấp nếu γ Æ1, nghĩa là hệ có thể làm việc ổn định

ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh tốc độ

Hệ TĐĐ là có cấp khi hệ chỉ có thể làm việc ổn định tại một số

giá trị của tốc độ trong dải điều chỉnh tốc độ

2009

giá trị của tốc độ trong dải điều chỉnh tốc độ

Trang 38

21

8.5 Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải

Chế độ làm việc tối ưu là chế độ định mức của động cơ Dòng

điện động cơ không vượt quá dòng điện định mức, đảm bảo khả

năng quá tải về mô men, đảm bảo yêu cầu về ổn định tĩnh khi có

nhiễu… trong toàn dải điều chỉnh

Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động người ta thường chọn

phương pháp điều khiển sao cho đặc tính điều chỉnh của hệ

bám sát đặc tính của tải. Khi đó tổn thất trong quá trình điều

khiển sẽ nhỏ nhất

2009

8.6 Hiệu suất phải cao

P

P P

P

Δ+

=

2

2 1

t P

2

0

)()

(η

8.7 Các chỉ tiêu khác: khả năng tự động hoá hệ thống, tính

kinh tế cao

2009

kinh tế cao

Trang 65

II HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

3 Phương pháp điều khiển động cơ DC kích từ độc lập

4 Đặc tính cơ động cơ DC kích từ nối tiếp

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

7 Hệ truyền động máy phát động cơ DC

6 Các chế độ làm việc của động cơ DC

2009

7 Hệ truyền động máy phát – động cơ DC

8 Hệ truyền động bộ chỉnh lưu – động cơ DC

9 Hệ truyền động bộ chopper – động cơ DC

Sơ đồ cấu trúc máy phát‐động cơ

1 2 3 4 5

Đặc tính tự nhiên 9

U u=var , dm

2009

6 7 8

Trang 66

4

Điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ M là điện áp ra của máy

phát G Điện áp này được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích từ

của máy phát

7 HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY PHÁT - ĐỘNG CƠ DC

Phương trình đặc tính cơ của hệ F Đ E R +R

Phương trình đặc tính cơ của hệ F‐Đ

R R K

=

ω

E : sức điện động máy phát (V)

G G

Hệ F‐Đ có thể hoạt động linh hoạt ở cả 4 góc phần tư

7 HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY PHÁT - ĐỘNG CƠ DC

Dải điều chỉnh tốc độ của hệ hở khoảng 6:1 đến 8:1 Với hệ thống

điều khiển vòng kín, dải điều chỉnh tốc độ D có thể lên tới 200:1

Ưu điểm

điều khiển vòng kín, dải điều chỉnh tốc độ D có thể lên tới 200:1

Nhược điểm

‐ Công suất lắp đặt lớn. ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ

Hệ số công suất cao

Không gây mất ổn định hay méo dạng điện áp lưới

Trang 67

1. Giả thiết kích từ động cơ giữ không đổi và bằng định mức

trong suốt dải điều chỉnh tốc độ, xây dựng các đặc tính n = f(Iư)

của hệ trên tương ứng với các điểm làm việc có dòng tải bằng

Iđm và tốc độ lần lượt là 750, 500 và 250v/p

2009

2. Xác định dải điều chỉnh tốc độ của hệ trên khi kích từ động cơ

là định mức và dòng cực đại cho phép của động cơ là Imax= 2Iđm

Một trong những hệ truyền động điều khiển động cơ DC là hệ bộ

chỉnh lưu –động cơ DC 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 điện áp chỉnh lưu

7 HỆ TRUYỀN ĐỘNG BỘ CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ DC

giá trị trung điện áp chỉnh lưu

Khi động cơ hoạt động với bộ chỉnh lưu có điều khiển, dòng qua

động cơ không phải là hằng số, cũng như dòng của nguồn AC

cung cấp cho bộ biến đổi cũng không phải là dạng sin làm ảnh

hưởng đến chất lượng đáp ứng của hệ thống và ảnh hưởng lên

2009

hưởng đến chất lượng đáp ứng của hệ thống và ảnh hưởng lên

nguồn cung cấp

Trang 68

6

Trong HTĐ BCL‐Động cơ DC, dòng điện phần ứng có thể liên tục

hoặc gián đoạn, tùy thuộc thông số động cơ, cấu hình bộ chỉnh

lưu, góc kích và momen tải

Dòng điện gián đoạn phần ứng làm cho giảm độ cứng của đặc

tính cơ, đặc tính cơ của động cơ rất dốc, và phi tuyến Hệ thống

thường không thể làm việc ổn định ở vùng này nếu không có các

phương pháp điều chỉnh đặc biệt

Các Bộ chỉnh lưu thực luôn có hiện tượng chuyển mạch. Hệ quả

của hiện tượng chuyển mạch là điện áp ngõ ra của chỉnh lưu bị

2009

của hiện tượng chuyển mạch là điện áp ngõ ra của chỉnh lưu bị

giảm

Các bộ chỉnh lưu sử dụng trong hệ truyền động:

‐ Bộ chỉnh lưu 1 pha, 3 pha

‐ Bộ chỉnh lưu tia, cầuộ

Có thể phân loại theo góc phần tư làm việc hệ truyền động bộ

Trang 69

7

Ưu điểm:

‐ Không sử dụng máy điện quay

‐ Thay đổi điện áp dễ dàng bằng cách thay đổi góc điều khiển

‐ Thay đổi thiết kế dễ dàng bằng cách thay đổi các linh kiện bán

7.1 Hệ truyền động bộ chỉnh lưu – động cơ DC làm việc ở góc

phần tư I

‐ Không thể đổi dấu điện áp chỉnh lưu.g ệ p

‐ Bộ chỉnh lưu chỉ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, không thể làm

việc ở chế độ nghịch lưu

‐ Làm việc ở chế độ động cơ ở góc phần tư thứ nhất

‐ Không có khả năng trả năng lượng về nguồn, nên không có

Trang 70

8

phần tư I

‐ Điện áp nguồn xoay chiều 1 pha có dạng

‐ Điện áp nguồn xoay chiều 3 pha có dạng:

t U

Trang 71

9

7.1 Bộ chỉnh lưu tia một xung với diode zero

‐ Dùng làm nguồn cấp cho động cơ công suất nhỏ, như động cơ

vạn năng, động cơ kích từ vĩnh cửu trong máy công cụ gia đình…

Iu Ud=Uu T1

7.1 1 Bộ chỉnh lưu tia một xung với diode zero

‐ Đặc tính cơ (dòng tải liên tục)

M K

R K

2

)( Φ

−Φ

=ω

M K

R K

2

)()cos1(

πω

Trang 72

10

7.1 2 Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điêu khiển bán phần

2009

Trị trung bình điện áp chỉnh lưu:

)cos1

= m d

U U

7.1.2 Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điêu khiển bán phần

M K

R K

2

)( Φ

−Φ

=ω

M K

R K

2

)()cos1(

Φ

−+

Φ

πω

Trang 73

11

2009

Trị trung bình điện áp chỉnh lưu:

)cos1(2

M K

R K

2

)( Φ

−Φ

=ω

M K

R K

2

)()cos1(.2

33

Φ

−+

Φ

πω

2009

Trang 74

12

phần tư I,IV

‐ Bộ chỉnh lưu có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu và chế độ nghịchộ ệ ộ ộ g ị

lưu do điện áp chỉnh lưu có thể đổi dấu

‐ Trong chế độ chỉnh lưu khi góc điều khiển bộ chỉnh lưu

0Oα<π/2, trong đó trị trung bình điện áp chỉnh lưu lớn hơn sức

điện động phần ứng (Ud>E), dòng điện phần ứng cùng chiều với

điện áp phần ứng động cơ làm việc ở chế độ động cơ ở góc phần

tư I

2009

‐ Khi góc điều khiển bộ chỉnh lưu α=π/2, trị trung bình áp

chỉnh lưu bằng 0, động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng

phần tư I, IV

‐ Khi góc điều khiển bộ chỉnh lưu π/2<αOπ trị trung bình điện áp

chỉnh lưu có giá trị âm, bộ chỉnh lưu chuyển sang chế độ nghịch

lưu Trong trường hợp này có thể sử dụng để hãm tái sinh trả

năng lượng về nguồn

‐ Chế độ nghịch lưu và hãm tái sinh trả năng lượng về nguồn

chỉ có thể xảy ra khi thỏa mãn các điều kiện sau

‐Sức điện động phần ứng phải lớn hơn trị trung bình điện áp

2009

Sức điện động phần ứng phải lớn hơn trị trung bình điện áp

chỉnh lưu

‐Phần ứng động cơ phải kết nối với bộ chỉnh lưu sao cho dòng

điện phần ứng có thể chạy qua

Góc điều khiển bộ chỉnh lưu phải nằm trong khoảng π/2<αOπ

Định dạng
Số trang	217
Dung lượng	12,45 MB