Trang bị điện trên MCC - Phần I

Trang bị điện trên MCC

Bộ môn : Tự động hoá - Khoa Điện

Bàiưgiảng

1.Cấu trúc chung và phân loại

a Cấu trúc chung :

Thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, phục vụ cho việc biến đổi năng l ợng điện - cơ cũng nh gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng l ợng đó

- Truyền động lực cho một máy, một dây truyền sản xuất mà dùng năng l ợng điện gọi là truyền động điện

Cấu trúc của một hệ truyền động điện gồm 2 phần chính:

Hình 1: Mô tả cấu trúc của hệ truyền động.

BBĐ- Bộ biến đổi; ĐC- Động cơ truyền động; MSX- Máy sản xuất;

RT- Bộ đ.chỉnh công nghệ; KT- Các bộ đóng cắt phục vụ công nghệ;

R- Các bộ điều chỉnh truyền động; K- Các bộ đóng cắt phục vụ truyền động; VH- Ng ời vận hành; GN- Mạch ghép nối.

* Phần mạch lực: gồm bộ biến đổi và động cơ truyền động Các

bộ biến đổi th ờng dùng là bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều, xoay chiều), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hoà), bộ biến đổi điện tử (chỉnh l u tiristơr, biến tần tranzitor, tiristơr) Động cơ điện có các loại: động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ, không đồng bộ và các loại động cơ điện đặc biệt khác…

chỉnh công nghệ, ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ công nghệ và cho ng ời vận hành Đồng thời một số

hệ truyền động điện có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong một dây chuyền sản xuất

Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, không phải hệ truyền động

điện nào cũng có đầy đủ cấu trúc nh vậy

b Phân loại hệ thống truyền động

* Phân loại theo số động cơ sử dụng:

Truyền động nhóm : Là hệ truyền động dùng một động cơ điện

để kéo một nhóm gồm nhiều máy sản xuất

Truyền động đơn : Là hệ truyền động dùng một động cơ điện

để kéo toàn bộ một máy sản xuất

Truyền động nhiều động cơ : Trong hệ truyền động này, mỗi chuyển động riêng biệt của máy SX do một động cơ riêng đảm nhiệm

* Phân loại theo đặc điểm chuyển động:

- Chuyển động quay

- Chuyển động tịnh tiến (thẳng)

* Phân loại theo chế độ làm việc:

- Chế dộ làm việc liên tục

- Chế dộ làm việc gián đoạn

* Phân loại theo chiều quay của động cơ:

-Truyền động có đảo chiều quay

-Truyền động không đảo chiều quay

* Phân loại theo dòng điện :

-Truyền động xoay chiều

-Truyền động một chiều

- Truyền động không điều chỉnh: Th ờng chỉ có động cơ nối trực tiếp với l ới điện và kéo máy sản xuất với một tốc độ nhất định.

- Truyền động có điều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền

động điều chỉnh momen, lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh có thể là truyền động nhiều động cơ Ngoài ra, tuỳ thuộc vào cấu trúc và tín hiệu điều khiển ta có hệ truyền động điều khiển số, t ơng tự hoặc truyền

động điều khiển theo ch ơng trình

* Phân loại theo đặc điểm thay đổi các thông số điện

2 Khái niệm chung về đặc tính cơ của động cơ điện

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa momen và tốc độ quay của động cơ

M 0

 2 1

M

3

2 1

Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, ng ời ta đ a ra khái niệm

độ cứng đặc tính cơ  và đ ợc tính

3 Đặc tính cơ của máy sản xuất

Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng Tuy vậy phần lớn

nó đ ợc biểu diễn d ới dạng biểu thức tổng quát:

Trong đó: Mc: Mômen ứng với tốc độ 

Mc0: Mômen ứng với tốc độ  = 0

Mdm: Mômen ứng với tốc độ đm

: Số mũ đặc tr ng cho phụ tải

Ta có các tr ờng hợp :

+  = 0, Mc = Mdm = const: Các cơ cấu nâng hạ, băng tải, cơ cấu

ăn dao máy cắt gọt thuộc loại này (đ ờng 1)

cdm c

M 0 ( 0)

+  = 2, momen tỉ lệ bậc

hai với tốc độ là đặc tính của

máy bơm, quạt gió (đ ờng 3)

+  = -1, momen tỉ lệ

nghịch với tốc độ, các cơ cấu

máy cuốn dây, cuốn giấy,

các truyền động quay trục

chính máy cắt gọt kim loại có

đặc tính thuộc loại này (đ ờng

MCD

4

+  = 1, momen tỉ lệ bậc nhất với tốc độ, thực tế rất ít gặp, về loại này có thể lấy ví dụ về máy phát một chiều tải thuần trở (đ ờng 2)

Trong hệ truyền động điện, bao giờ cũng có quá trình biến

đổi năng l ợng điện - cơ Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của truyền động điện

nh nó có chiều truyền từ nguồn về 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 d ơng nếu momen động cơ sinh ra có chiều cùng chiều với tốc độ quay Ng ợc 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 momen động cơ sinh

ra ng ợc chiều với tốc độ quay Momen của máy sản xuất đ ợc gọi

là phụ tải hay momen cản Nó cũng đ ợc định nghĩa dấu âm và d

ơng, ng ợc lại với dấu momen động cơ

4 Trạng thái làm việc của truyền động điện

Ph ơng trình cân bằng công suất của hệ truyền động điện là:

Pđ = Pc + PTrong đó: Pđ: Công suất điện

Pc: Công suất cơ P: Tổn thất công suất

- Tuỳ thuộc vào biến đổi năng l ợng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc của động cơ gồm: Trạng thái động cơ và trạng thái hãm :

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

- Trạng thái hãm gồm: hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ng

II I

IV III Trạng thái động cơ

5 iều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện Điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện

Khi Mđ = Mc thì hệ truyền động điện làm việc ổn định

Điểm làm việc ổn định là giao điểm của đặc tính cơ của động cơ

và của máy sản xuất Tuy nhiên, không phải bất kỳ động cơ nào cũng có thể làm việc với các loại tải mà nó phải có điểm giao nhau đó thoả mãn điều kiện ổn định, ng ời ta gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải

Để xác định điểm làm việc ta dựa vào ph ơng trình động học của truyền động điện tại giao điểm :

) ](

)

M ( )

M [(

Hay: - c < 0

.2 Ph ơng trình động học của truyền động điện

Ph ơng trình cân bằng năng l ợng của hệ truyền động điện

W = Wc + W

Trong đó:W là năng l ợng đ a vào động cơ

Wc là năng l ợng tiêu thụ của máy s n xu t.ản xuất ất

W: là mức chênh năng l ợng giữa năng l ợng đ a vào và năng l ợng tiêu thụ chính là động năng của hệ:

1 ( dt

d 1 dt

dW 1

dt

dW

ω ω

ω

M dt

dW 1

d



) 2

1 (

dJ 2

1 dt

d J

d.J

3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích

từ độc lập

1- Khái niệm

Động cơ một chiều kích từ độc lập là động cơ một chiều có mạch kích từ đ ợc cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn cấp cho mạch phần ứng

E U

UKT

Hình 5 Sơ đồ nối dây ĐC kích từ

độc lập

Rf I

+ E [V]: Sức điện động của động cơ

+ I [A]: Dòng điện phần ứng + Rf []: điện trở phụ mạch phần ứng, 

+ R []: Điện trở mạch phần ứng+ r []: Điện trở cuộn dây phần ứng+ rcf []: Điện trở cuộn dây cực từ phụ+ rb []: Điện trở cuộn bù

+ rct []: Điện tiếp xúc của chổi thanS.Đ.Đ E đ ợc xác định qua biểu thức:

là hệ số cấu tạo của động cơ

Với:N: số đôi thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

2

a

pN K



 2

,

K a

pN

55 9

K

R

R K

Ta lại có mômen điện từ của động cơ: Mđt= KI



 K

M

I dt thay vào biểu thức trên ta có:

dt

f u

K

R

R K

U

2 ) ( 

U u u f

2

) ( 









Với giả thiết bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men

điện từ bằng mô men cơ trên trục động cơ

Nghĩa là Mđr = Mcơ = M

M K

R R

K

U u u f

2

) ( 

(3)

Từ đồ thị trên ta nhận thấy khi I = 0 hoặc M = 0

0 đ ợc gọi là tốc độ không tải lý t ởng của động cơ.

Khi  = 0 ta có:

nm f

u

R R

U

M K

R I

K

R

2

)( 

Từ ph ơng trình đặc tính cơ (1) và (2) ta thấy có ba tham số ảnh

h ởng đến đặc tính cơ, đó là: từ thông động cơ , điện áp phần ứng U và điện trở phần ứng động cơ R Ta sẽ lần l ợt xét ảnh h ởng của từng tham số:

Mc

Hình 7 Các đặc tính cơ của DC một chiều kích từ

độc lập khi thay đổi điện

trở phụ

Rf4

a ảnh h ởng của điện trở phần ứng

Giả thiết U = Uđm = const,

 = đm = const Muốn thay

đổi điện trở phần ứng động cơ ta nối thêm

điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Khi

 = const

) K

ứng dụng :

Ph ơng pháp này th ờng đ ợc sử dụng để hạn chế dòng điện và

điều chỉnh tốc độ ĐC d ới tốc độ cơ bản, th ờng đ ợc ứng dụng trong các hệ TĐĐ công suất nhỏ và trung bình

Giả thiết: Rf = 0,  = đm = const Thay đổi điện áp phần ứng

động cơ theo h ớng giảm áp so với Uđm, ta có:

Nhận xét:

- Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta đ ợc một họ

đặc tính song song với đặc tính cơ tự nhiên

- Khi giảm áp đặt vào động cơ ứng với một phụ tải Mc nhất định thì tốc độ, mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch cũng giảm

ứng dụng:

Ph ơng pháp này đ ợc sử dụng để điều chỉnh tốc độ d ới tốc độ cơ bản và để hạn chế dòng điện khởi động động cơ

(  2

= var

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế th ờng điều chỉnh giảm từ thông Từ các biểu thức trên ta thấy khi  giảm thì 0 tăng và  giảm rất nhanh

Dòng điện ngắn mạch: Inm = Uđm/R = const

Mô men ngắn mạch: Mnm = KxInm = var

Tốc độ không tải lý t ởng

ứng dụng:

PP này dùng để điều chỉnh tốc độ ĐC trên tốc độ cơ bản

Với giá trị dòng khởi động lớn sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng cũng nh sụt áp của l ới điện Để hạn chế dòng điện khởi động ta có thể giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ hoặc đ a thêm điện trở phụ Rf vào phần ứng ĐC Ph

ơng pháp giảm điện áp phần ứng chỉ thực hiện đ ợc với các hệ TĐĐ có bộ biến đổi điện áp

4 Khởi động và tính toán điện trở khởi động.

Ph ơng pháp đ a thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ĐC đ ợc

sử dụng khi ĐC đ ợc nối vào nguồn có điện áp cố định Sau đây ta

sẽ xét ph ơng pháp thứ hai, còn ph ơng pháp thứ nhất sẽ đ ợc nghiên cứu trong những ch ơng sau

E U

mạch khởi động đ ợc chọn sao cho

khi khởi động ( = 0) thì dòng khởi

động có trị số không v ợt quá 2,5 lần

Iđm để đảm bảo an toàn cho ĐC và hệ

TĐĐ Ngoài ra Inm cũng không đ ợc

nhỏ quá khiến cho Mnm nhỏ đi so với

mômen cản Ng ời ta th ờng tính toán

điện trở khởi động sao cho:

f

dm

R R

U

  (22,5)Iđm

Inm =

Muốn cho quá trình tăng tốc độ đ ợc

tiến hành đều đặn và để cho ĐC làm

việc ổn định ở tốc độ cao trên đặc tính

tự nhiên ta phải cắt dần các điện trở

phụ Việc cắt dần các điện trở phụ đ ợc

thực hiện nhờ tiếp điểm của các công

tắc tơ 1K, 2K, 3K

Trong quá trình khởi động ĐC sẽ

làm việc trên một họ các đặc tính cơ

nhân tạo có độ dốc giảm dần ứng với

việc cắt dần các điện trở phụ Cuối

cùng ĐC tăng tốc độ trên đặc tính tự

nhiên và làm việc ổn định tại điểm làm

việc A Tại đó dòng qua ĐC bằng dòng

a

b c

e g A

Hình 11 Đặc tính khởi động qua 3

cấp điện trở phụ

ntTN

i

a Ph ơng pháp đồ thị

- Dựa vào thông số ĐC vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên (hình 11)

- Chọn hai giới hạn chuyển dòng điện khởi động ĐC:

I1  (2  2,5) Iđm

I2  (1,1  1,3) Iđm Lấy giá trị I1, I2 trên trục hoành Từ I1, I2 kẻ hai đ ờng thẳng song song với trục tung cắt đặc tính tự nhiên tại a và b, nối (0,0) với (I1,0) ta đ ợc đặc tính khởi động đầu tiên Đặc tính này cắt đ ờng dóng I2 tại điểm g Tại g ta kẻ đ ờng thẳng song song với trục hoành cắt đ ờng dóng I1 tại f Nối f với 0 ta đ ợc đ ờng đặc tính khởi động thứ hai Cứ tiếp tục nh vậy cho tới khi

từ c kẻ đ ờng song song với trục hoành sẽ gặp điểm b Nếu điều kiện này không thoả mãn ta phải chọn lại I1 hoặc I2 rồi vẽ lại cho đến khi thoả mãn điều kiện

- Xác định các giá trị các điện trở khởi động

Qua đồ thị ta có:

1

I K

ib

if

ih

R 3   

Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ  trên các đặc tính đã vẽ

đ ợc ứng với một dòng điện, ví dụ với I1

Lập tỷ số

T ơng tự nh vậy ta có:

5 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ng ợc chiều quay của tốc độ Trong các trạng thái hãm động cơ làm việc nh một máy phát

Động cơ một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ng ợc và hãm động năng

a Hãm tái sinh (hãm trả năng l ợng về l ới)

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý t ởng 0 Khi hãm tái sinh E > U, động cơ làm việc

nh một máy phát điện song song với l ới So với chế độ ĐC, dòng

điện và mô men hãm đã đổi chiều và đ ợc xác định theo biểu thức:

Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mô men phụ tải của cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định tại tốc độ

E

Hình 12 Đặc tính hãm tái sinh của ĐC một chiều kích từ độc lập

Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng

điện hãm đổi chiều và công suất đ ợc đ

a trả lại l ới điện có giá trị P = (E - U)I

Đây là ph ơng pháp hãm kinh tế nhất

vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích

kích từ độc lập



M

McNâng tải

Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cần trục khi nâng tải ĐC đ

ợc đấu vào nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính

cơ nằm trong góc phần t thứ nhất Khi muốn hạ tải ta phải đảo

chiều điện áp phần ứng ĐC Lúc này nếu mô men do tải trọng

gây ra lớn hơnmô men ma sát trong các bộ phận chuyển động

của cơ cấu, ĐC sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh

Khi hạ tải để hạ chế dòng khởi động

ta đóng thêm điện trở phụ vào phần ứng

ĐC Tốc độ ĐC tăng dần đến khi đạt giá

trị o ta cắt điện trở phụ, ĐC tăng tốc độ

trên đ ờng đặc tính tự nhiên Khi  > o,

mô men điện từ của ĐC đổi dấu trở thành

mô men hãm Đến điểm A thì Mh = Mc,

tải trọng đ ợc hạ với tốc độ ổn định ođ,

trong trạng thái hãm tái sinh

một điện trở phụ đủ lớn vào phần ứng,

ĐC chuyển sang làm việc tại điểm b trên

đặc tính biến trở

Tại b do mô men ĐC nhỏ hơn mô men cản nên ĐC giảm tốc

độ nh ng tải vẫn theo chiều nâng lên Đến c tốc độ ĐC bằng 0 nh

ng mô men ĐC vẫn nhỏ hơn mô men cản nên d ới tác động của tải trọng ĐC quay theo chiều ng ợc lại Tải trọng đ ợc hạ xuống với tốc độ tăng dần Đến điểm d mô men ĐC cân bằng với mô men cản, hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi ođ Nh vậy cd là đoạn

đặc tính hãm ng ợc

Khi hãm ng ợc tốc độ ĐC đổi chiều, sđđ đổi chiều:

f f

h

R R

K U

R R

E U

Nh vậy ở đặc tính hãm ng ợc sđđ E tác dụng cùng chiều với điện

áp l ới ĐC làm việc nh một máy phát nối tiếp với l ới điện biến

điện năng nhận từ l ới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng tổng trở mạch phần ứng vì vậy tổn thất lớn

Hình 15 Sơ đồ đấu dây (a) và đặc tính hãm ng ợc(b) của ĐC một chiều KT độc lập

E I

d (a)

(b)

- Đảo chiều điện áp phần ứng:

Giả sử ĐC đang làm việc tại điểm ứng với điểm a trên đặc tính

tự nhiên với tải Mc, ta đảo chiều điện áp phần ứng và đ a thêm

điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm b trên đặc tính biến trở, mô men động cơ đổi chiều chống lại chiều quay của ĐC nên tốc độ giảm theo đoạn bc

Dßng ®iÖn h·m ® îc tÝnh theo:

f f

h

R R

E U

R R

E

U I

cã d¹ng:

M )

K (

R R