Giáo trình Truyền động điện (Dùng cho hệ CĐN): Phần 2

Phần 2 Giáo trình Truyền động điện (Dùng cho hệ CĐN) gồm nội dung các chương: Ổn định tốc độ làm việc của truyền động điện một chiều, đặc tính động của hệ truyền động điện, tính chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện, bộ khởi động mềm, bộ biến tần, bộ điều khiển máy điện servo, bộ điều khiển động cơ bước.

CHƯƠNG 4: ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRUYỀN ĐỘNG

ĐIỆN MỘT CHIỀU

Bài 1: Khỏi niệm về ổn định tốc độ, độ chớnh xỏc và duy trỡ tốc độ

ồn định hoá tốc độ trong truyền động điện có ý nghĩa rất lớn trong việc cải thiện chỉ tiêu tốc độ của truyền động điện Biện pháp chủ yếu để

ổn định tốc độ làm việc là tăng độ cứng của đặc tính cơ bằng điều khiển theo mạch kín

Các đặc tính cơ của hệ hở có giá trị: β = (KΦ)2/R không đổi trong toàn dải điều chỉnh tốc độ thấp nhất ứng với đặc tính thấp nhất có sức

điện động Ebo, nếu cho một momen tảI MC = Mđm thì tốc độ làm việc sẽ là

ω = ω’min và sai số tĩnh thường lớn hơn giá trị cho phép

min 0 

ω’minωminω0minω01

Ebo

ω

Eb1Eb2

Bài 2: Hệ truyền động cơ vũng kớn: Hồi tiếp õm điện ỏp, hồi tiếp õm

tốc độ

2.1 Điều chỉnh E b theo điện áp phần ứng

Có thể bù được lượng sụt tốc độ do sụt áp trên điện trở trong của bộ biến đổi bằng mạch phản hồi âm điện áp phần ứng động cơ Dựa vào phương trình đặc tính tải của bộ biến đổi ta có

Luật điều chỉnh này được thực hiện bằng sơ đồ phản hồi âm điện áp phần ứng như trên hình

Nếu bỏ qua dòng điện trong các điện trở r1, r2 và đặt 1

2

1 r r

K K R K

K

K

U K

dm

b a b

a b

dm a

b

d b

K

U

dm

u dm

d

M K

2.2.Điều chỉnh Eb theo tốc độ động cơ

Ta có Eb = Ebo ư- Ktω (4 - 7)

Trong đó:

ω ω0

I, M

Hình 4.3: Phản hồi âm tốc độ động cơ

 IR E 

U r r

r U

2 2

2

r r

r R

d

K E

R R

Mạch lấy tín hiệu tốc độ kiểu kiểu này đơn giản và rẻ hơn dùng máy phát tốc, song có các nhược điểm là gây tổn thất phụ trong mạch phần ứng do

có Rd, không cách ly được về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển, nếu bộ biến đổi là chỉnh lưu bán dẫn thì tín hiệu điện áp phản hồi có dạng đập mạch đơn

Bài 3: Hạn chế dòng điện một chiều trong truyền động điện một

có độ cứng cao để đảm bảo sai số tốc độ là nhỏ Khi dòng điện và momen vựơt quá phạm vi này thì phảI giảm mạnh độ cứng đặc tính cơ

để hạn chế dòng điện mặt khác trong quá trình khởi động , hãm, điều chỉnh tốc độ động cơ thường có yêu cầu giữ gia tốc không đổi để hệ đạt

được tối ưu thời gian về quá trình quá độ Để đạt được điều này trong các

hệ truyền động có momen tảI không đổi thì đặc tính cơ phảI có đoạn độ cứng bằng không

1.Hạn chế dòng điện bằng các mạch ngắn dòng

Biện pháp phân vùng bằng các mạch ngắn dòng thường dùng cho các truyền động điện hay bị quá tảI ngẫu nhiên trong thời gian ngắn Khi bị quá tải hệ vẫn làm việc tiếp nhưng tốc độ phảI giảm để tránh va đập trong các cơ cấu truyền lực, tốc độ giảm nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức

độ quá tảI lớn hay nhỏ Để có thể phát hiện ra điểm chuyển vùng và để giảm độ cứng đặc tính đến mức cần thiết, thường dùng mạch phản hồi

âm dòng điện có ngắt, sơ đồ hình 4 - 39 là vd

Trong vùng tảI cho phép I<Ing thì điện áp trên điện trở Rd.I còn nhỏ hơn ngưỡng thông của van ổn áp V0 tín hiệu phản hồi –ui = 0, hệ làm việc với các phản hồi tăng độ cứng, tức là uđk = u’đk ứng với đoạn đặc tính cơ AB

có độ cứng cao

Bđ

U đ U’đk U đk

đ

Khi dòng điện phần ứng tăng lên quá dòng điện ngắt I > Ing, điện áp trên Rd.I làm thông van ổn áp V0, xuất hiện tín hiệu phản hồi dòng

điện so sánh với tín hiệu điều khiển

Đặc tính (4 ư- 5) là đường nét đứt A’ ,B, C có tốc độ không tải ω0ng rất cao, độ cứng rất nhỏ và momen ngắn mạch là Md, thực tế miền xác định (miền làm viêc) của đặc tính này chỉ là đoạn BC, còn đoạn A’B không tồn tại do lúc đó I < Ing Do các thành phần phản hồi để tăng độ cứng vẫn tồn tại ngay cả khi I > Ing nên đoạn BC không thể đạt được độ cứng tuỳ ý, nhất là không thể đạt được giá trị βng = 0 Biểu thức tính độ cứng βng như trên chỉ là gần đúng, muốn có biểu thức chính xác thì cần phảI biết rõ ngoài uđ , trong u’đk còn có các phản hồi gì, hệ số phản hồi là bao nhiêu

A’

βm

β

βngωong

Sơ đồ đơn giản nhất gồm hai vòng điều chỉnh: Vòng điều chỉnh dòng điện ở trong có bộ điều chỉnh dòng điện RI, vòng điều chỉnh tốc độ

có bộ điều chỉnh tốc độ Rω bộ điều chỉnh này có đặc tính khuếch đại có vùng bão hoà ()h 4 - 30b Điện áp đầu ra của Rω là điện áp đặt tại dòng phần ứng uiđ giá trị bão hoà uiđmax chính là giá trị đạt cực đại của dòng

điện phần ứng Bộ điều chỉnh dòng điện RI trong mạch vòng có nhiệm

vụ duy trì dòng điện phần ứng luôn bằng giá trị đặt (uiđ ), bất kể hệ thống

đang làm việc ổn định hay trong quá trình quá độ RI thường có cấu trúc

là một khâu tỉ lệ – tích phân PI Như vậy mạch vòng dòng điện đã biến bộ biến đổi BĐ thành một nguồn dòng điện được điều khiển bởi tín hiệu uiđ Vì dòng điện là đại lượng biến thiên nhanh nên sai lệch δi luôn nhỏ, bộ

điều chỉnh RI luôn làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính điều chỉnh Khi bắt đầu quá trình thay đổi tốc độ, giả sử xét khi khởi động động cơ

Do có sự thay đổi đột ngột của uωđ trong khi uωchưa thay đổi kịp do quán tính cơ học của hệ , nên sai lệch đầu vào δω = Uωđ ư- Uω có giá trị lớn

Điểm làm việc của Rω sẽ là uiđ = uiđmax = const, mạch vòng tốc độ bị “ngắt”

ra khỏi sơ đồ Do hoạt động của mạch vòng dòng điện mà dòng điện phần ứng được duy trì ở giá trị I = đmax tương ứng tín hiệu vào của mạch vòng là uiđmax , điểm bắt đầu khởi động là điểm A trên hình 4ư- 30 c, động cơ bắt đầu tăng tốc với gia tốc

J

M I

K dt



Mặc dù sau đó tốc độ động cơ tăng dần lên nhưng dòng điện phần ứng vẫn được duy trì ở giá trị I = Iđmax chừng nào mà bộ điều chỉnh tốc đô Rω chưa ra khỏi vùng bão hoà, tức là chưa được “ nối “ lại vào sơ đồ Đoạn

đặc tính cơ khi khởi động là BC, có độ cứng bằng không và dòng không

đổi Tại điểm B tốc độ động cơ ω = ωB sao cho δω = δωB điểm làm việc của

Rω bắt đầu ra khỏi vùng bão hoà và lọt vào vùng tuyến tính của đặc tính, mạch vòng tốc độ bắt đầu phát huy tác dụng điều chỉnh cùng với mạch vòng dòng điện tạo đoạn đặc tính BC có độ cứng βm thoả mãn đạt độ chính xác cao

Quá trình quá độ khi hãm, điều chỉnh tốc độ và khi quá tảI lớn cũng xảy

ra tương tự như trên và được mô tả giống hệt như các đồ thị trên

CHƯƠNG 5: ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Bài 1: Quỏ trỡnh quỏ độ của truyền động điện

Quá trình quá độ của truyền động điện là quá trình làm việc khi hệ thống chuyển từ một trạng thái xác lập này sang một trạng tháI xác lập khác, khi đó tốc độ momen và dòng điện của động cơ đều biến đổi Để phân tích sự làm việc của truyền động điện, ta phải xác định quan hệ giữa các đại lượng kể trên với thời gian, vì dựa vào các quan hệ này , ta

có thể: xác định được thời gian và tính chất diễn biến của quá trình quá

độ ứng với chế độ công nghệ của máy:; đánh giá được trị số cho phép của momen, gia tốc, dòng điện, phát sinh trong trạng tháI động, (những trị số này xác định mức độ quá tải về cơ và về điện của truyền động điện ); tiến hành chọn công suất động cơ và khí cụ điều khiển một cách đúng

đắn

Không có một hệ thống truyền động điện nào làm việc mà lại không có quá trình quá độ Ngay cả trong các truyền động đơn giản nhất như quạt gió, bơm nước, băng tải, thì ít nhất cũng đòi hỏi phải khởi động

động động cơ Khi đó, tuy điện áp được đặt vào dây quấn động cơ một cách đột ngột, nhưng tốc độ, momen và dòng điện của động cơ biến đổi

từ từ theo thời gian Đó là các dấu hiệu của quá trình quá độ khởi động Nhiều hệ thống truyền động có quá trình quá độ hãm điện Các quá trình này có thể xảy ra do thay đổi cực tính của điện áp phần ứnđộg của động cơ điện một chiều hoặc thay đổi thứ tự pha điện áp stato của động cơ

điện không đồng bộ (khi hãm ngược ) cũng như do giảm nhỏ điện áp phần ứng hoặc tần số dòng điện Stato

Quá trình quá độ cũng phát sinh khi điều chỉnh tốc độ, nghĩa là khi

động cơ chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác (chẳng hạn bằng cách thay đổi điện áp phần ứng hoặc giảm nhỏ từ thông của động cơ kích từ

độc lập.)

ở một số cơ cấu như hệ thanh truyền, trong quá trình làm việc phụ tải trên trục động cơ biến đổi kiểu xung đập mạch Các cơ cấu này không

có trạng thái làm việc xác lập mà chỉ có các quá trình quá độ chu kỳ

Các quá trình quá độ khởi động và hãm có thể lại là các trạng thái làm việc chủ yếu của hệ thống, chứ không phải là hiện tượng ít xẩy ra, ví

dụ ở các truyền động điện của máy cán đảo chiều, băng lăn, cơ cấu quay bàn máy xúc và cơ cấu quay của cần trục hình cổng Các quá trình này cũng như các quá trình tăng tốc và giảm tốc xảy ra một cách thường xuyên Tuy nhiên quá trình quá độ cũng có thể xẩy ra bất thường khi có những biến đổi ngẫu nhiên của phụ tảI động cơ, của điện áp hoặc tần số lưới điện cung cấp

Như vậy, nguyên nhân bên ngoài, mà người ta thường gọi là tác

động nhiễu loạn, gây ra quá trình quá độ trong truyền động điện có thể rất đa dạng, ví dụ như sự biến đổi của điện áp cung cấp, của tần số, của phụ tải trên trục động cơ … Tác động nhiễu loạn chỉ là những biến động bên ngoài, kích thích truyền động điện chuyển sang trạng thái quá độ Phản ứng của truyền động đối với tác động nhiễu loạn hình thành nên bản chất của quá trình quá độ Nguyên nhân bên trong gây ra quá trình quá độ là quán tính cơ và quán tính điện từ của truyền động điện Lượng

dự trữ động năng trong các khâu cơ và năng lượng điện từ trong các mạch điện của hệ thống truyền động điện chỉ có thể xẩy ra từ từ , nên ngay cả khi xuất hiện nhiễu loạn nhẩy cấp thì trong truyền động điện vẫn

có quá trình quá độ Nếu giả thiết không có quán tính trong truyền động

điện thì các quá trình quá độ nêu trên cũng không có Khi đó, các tác

động nhiễu loạn nhảy cấp sẽ làm cho tốc độ, momen, dòng điện, và các

đại lượng khác biến đổi một cách tức thời

Trong những điều kiện nhất định, khi sự thay đổi động năng trong các phần tử này của truyền động gây ra sự thay đổi năng lượng điện tử của các phần tử khác và ngược lại, thì có thể biến đổi qua lại một cách chu kỳ từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác Trong trường hợp này quá trình quá độ có thể mang đặc tính dao động Quá trình đó có thể có ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập nếu quán tính mạch phần ứng của nó đủ lớn Khi đó, sự biến đổi của dòng điện làm cho tốc độ thay đổi, và do đó làm biến đổi động năng của roto độnng cơ ở

động cơ đồng bộ, khi động năng thay đổi, góc sai lệch giữa cực từ stato

và cực từ roto thay đổi theo, và do đó năng lượng điện từ của trường máy

điện cũng thay đổi Trong các ví dụ trên, động năng và năng lượng điện

từ có liên quan qua lại với nhau và có thể làm cho quá trình quá độ mang tính chất dao động Nếu động cơ điện một chiều kích từ độc lập có bù phản ứng phần ứng và có mạch điện cảm phần ứng nhỏ, thì sự biến thiên của từ thông kích từ sẽ làm thay đổi tốc độ và động năng roto, còn động năng thì không gây ảnh hưởng gì đến năng lượng điện từ của mạch kích thích Khi đó quá trình quá độ không thể có tính chất dao động

Bài 2 Khởi động hệ truyền động điện, thời gian mở mỏy

Ta xét quá trình khởi động động cơ khi đặc tính cơ của nó là đường thẳng và momen cản không đổi Ngoài động cơ điện một chiều kích từ

độc lập ra, ta cũng có thể coi gần đúng với động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp và động cơ không đồng bộ, vì khi đó ta có thể thay các đặc tính cơ phi tuyến của chúng bằng những đoạn thẳng

Thông thường các động cơ kể trên không được phép khởi động trực tiếp vì dòng điện đột biến vượt quá trị số cho phép hoặc phảI hạn chế dòng điện theo điều kiện phát nóng hoặc điều kiện phát sinh lực điện

động lớn trên các bối dây ( đối với động cơ KĐB) Do đó người ta phải khởi động các động cơ này bằng cách nối chúng vào lưới qua các điện trở phụ cho vào mạch phần ứng hoặc mạch roto

Theo quá trình tăng tốc, các điện trở phụ được loại bỏ dần nhờ các khí cụ chuyển mạch Như vậy việc khởi động được tiến hành qua mấy cấp và điểm làm việc của động cơ dịch chuyển từ đặc tính biến trở này sang đặc tính biến trở khác Ơ cuối quá trình khởi động, động cơ có tốc

độ làm việc ứng với đặc tính cơ tự nhiên và momen trên trục Số cấp điện trở phụ càng nhiều thì phạm vi biến đổi của momen khi khởi động càng nhỏ và quá trình tăng tốc của động cơ càng trơn tru Momen khởi động của động cơ càng lớn thì gia tốc của động cơ càng cao và quá trình khởi

động càng nhanh Đối với động cơ điện một chiều thông dụng momen khởi động cho phép Mcp ~ 2.5Mđm còn đối với động cơ không đồng bộ vành trượt Mcp ~ 0.85 Mt Giá trị của momen chuyển cấp M2 phảI vượt quá giá trị lớn nhất có thể của momen cản một mức độ nhất định để không làm chậm quá trình khởi động do gia tốc nhỏ trước khi chuyển sang cấp khác

Ta có biểu thức của tốc độ và momen như sau:

t xli

bdi xli

M M

M M

ln

M M

M M

T t

2 1

ln

+ Quá trình quá độ truyền động điện (QTQĐ TĐĐ) lμ quá trình lμm việc của hệ thống TĐĐ khi chuyển từ trạng thái xác lập n y sang trạng thái xác lập khác, khi đó các đại lượng đặc trưng cho hệ thống TĐĐ (I, M, ω, ) đều thay đổi theo thời gian

Bài 3 Hóm truyền động điện, thời gian hóm, dừng mỏy

1 Hãm ngược động cơ điện

Để nhanh chóng ngừng động cơ người ta thường dùng phương pháp hãm

điện Khi hãm ngược, đối với động cơ điện một chiều người ta thay đổi cực tính của điện áp đặt trên phần ứng, còn đối với động cơ không đồng

bộ người ta thay đổi thứ tự pha của điện áp đặt trên Stato Đồng thời, để hạn chế dòng điện hãm, người ta cho thêm các điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ điện một chiều hoặc vào mạch roto đối với động cơ

điện không đồng bộ Khác với khi khởi động, việc hãm động cơ có thể thực hiện bằng một số cấp như đã được áp dụng trong tuyệt đại đa số trường hợp để giảm nhỏ số lượng thiết bị chuyển mạch Cũng như khi tính toán quá trình khởi động, đối với quá trình hãm các đặc tính cơ phi tuyến của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp và của động cơ không

đồng bộ cũng được thay thế bằng các đoạn thẳng trong phạm vi từ M1

đến M2 phương trình tốc độ của đoạn thẳng ấy có dạng

2 1

2

M M

M M

u cp

bd

I

E U

Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập, Φ = const và ω không thề

đột biến do quán tính cơ học của phần ứng, nên từ biểu thức E = kω, ta thấy, tại thời điểm động cơ chuyển sang trạng thái hãm, sđđ E vẫn giữ

nguyên giá trị trước đó Như vậy, trị số Ebđ có thể được xác định từ trạng tháI làm việc xác lập trước khi hãm

Trong quá trình hãm động cơ , sự biến đổi theo thời gian của tốc độ và momen được xác định như sau:

2 1

2 2

1

1

M M

M M

e M M

M

bd T

t C bd

M M co

2 Hãm động năng động cơ

Hãm ngược cho phép dừng n hanh động nhưng tiêu hao một năng lượng lớn của lưới điện Hãm động năng động cơ điện một chiều cũng như xoay chiều là phương pháp hãm kinh tế hơn

Trong quá trình hãm, tốc độ động cơ giảm xuống, momen hãm ban đầu

Mbđ = M1 Điện trở phụ trong mạch phần ứng của động cơ điện một chiều

được xác định theo biểu thức

u cp

Đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp khi hãm động năng thì

điện trở phụ phảI mắc thêm vào mạch kích từ sẽ là

kt dm u

Khi hãm động năng điện trở phụ mắc vào mạch roto của động cơ không

đồng bộ hoặc cho vào mạch stato của động cơ đồng bộ có thể xác định

được nếu biết độ trượt stn của đặc tính cơ có Rp = 0 và khi M = M1

1

ln M M M

co dn

h

c

T

CHƯƠNG 6: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Bài 1: Những vấn đề chung

Nguồn động lực trong một hê thống TĐĐ là động cơ điện Các yêu cầu kỹ thuật, độ tin cậy trong quá trình làm việc và tính kinh tế của HT TĐĐ phụ thuộc chính vào sự lựa chọn đúng động cơ điện và phương pháp điều khiển động cơ Chọn một động cơ điện cho một HT TĐĐ bao gồm nhiều tiêu chuẩn phải đáp ứng:

- Động cơ phải có đủ công suất kéo

- Tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương pháp điều chỉnh thích hợp

- Thỏa mãn các yêu cầu mở máy và hãm điện

- Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng (loại dòng điện, cấp điện áp )

- Thích hợp với điều kiện làm việc (điều kiện thông thoáng, nhiệt độ, độ

ẩm, khí độc hại, bụi bặm, ngoài trời hay trong nhà )

1 Tại sao phải chọn đúng công suất động cơ?

Việc chọn đúng công suất động cơ có ý nghĩa rất lớn đối với hệ TĐĐ Nếu nâng cao công suất động cơ chọn so với phụ tải thì động cơ sẽ kéo dễ dàng nhưng giá thành đầu tư tăng cao, hiệu suất kém và làm tụt hệ số công suất cosφ của lưới điện do động cơ chạy non tải

Ngược lại nếu chọn công suất động cơ nhỏ hơn công suất tải yêu cầu thì động cơ hoặc không kéo nổi tải hay kéo tải một cách nặng nề, dẫn tới các cuộn dây bị phát nóng quá mức, làm giảm tuổi thọ động cơ hoặc làm động cơ bị cháy hỏng nhanh chóng

2 Chọn công suất động cơ như thế nào?

Việc tính công suất động cơ cho một hệ TĐĐ phải dựa vào sự phát nóng các phần tử trong động cơ, đặc biệt là các cuộn dây Muốn vậy, tính công suất động cơ phải dựa vào đặc tính phụ tải và các quy luật phân bố phụ tải theo thời gian Động cơ được chọn đúng công suất thì khi làm việc bình thường cũng như khi quá tải ở mức cho phép, nhiệt độ động cơ không được tăng quá trị số giới hạn cho phép τcp

3 Phát nóng và nguội lạnh của động cơ

a, Nguyên nhân phát nóng trong động cơ

Trong quá trình động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng, một số năng lượg sẽ bị mất mát Nếu gọi P1 là công suất động cơ lấy từ nguồn vào, P2 là công suất động cơ sản ra trên trục của nó thì lượng mất mát ∆P (còn gọi là công suất tổn hao sẽ là)

∆P = P1 – P2

ở trạng thái làm việc định mức, mất mát công suất được tính:

dm

dm dm

dm dm

- P1đm, P1đm: C ông suất tiêu thụ và công suất sản ra của động cơ điện của trạng thái làm việc định mức

- dm: Công suất định mức của động cơ

Lượng mất mát ∆P bao gồm 3 phần:

- Mất mát do ma sát: Ví dụ ma sát trong các ổ bi giữa roto và không khí khi roto quay …

- Mất mát trong sắt từ, phụ thuộc vào chất lượng của lõi sắt từ

Một cách gần đúng ta xem hai lượng mất mát này không biến đổi theo phụ tải là gọi là mất mát không biến đổi

- Mất mát trong các cuộn dây(mất mát đồng): lượng mất mát này tỉ lệ với dòng điện chạy trong các cuộn dây, nghĩa là nó biến đổi theo phụ tải, gọi là mất mát biến đổi Lượng mất mát này rất lớn so với hai lượng mất mát trên Chính lượng mất mát công suất ∆P sinh ra nhiệt lượng Q làm cho động cơ nóng lên Ở trạng thái làm việc định mức, trong một giây nhiệt lượng sinh ra sẽ là

dm

dm dm

độ của động cơ, hạn chế sự phát nóng của động cơ

Sau một thời gian làm việc nào đó, nhiệt độ của động cơ không tăng lên nữa mà đạt đến nhiệt độ ổn định Lúc đó nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh trong một đơn vị thời gian bằng nhiệt lượng sinh ra trong động cơ Ta gọi đó là trạng thái làm việc cân bằng của động cơ

b, Phươg trình cân bằng nhiệt của động cơ

Tìm ra quy luật về sự đốt nóng trong động cơ là một việc khá phức tạp Bởi vì nhiệt độ của động cơ không đồng đều Ở những động cơ tự làm mát khi động cơ làm việc, hệ số làm mát cao Nhưng khi hãm máy, sự làm mát kém hơn và khi ngừng quay sự làm mát càng kém

Đối vơi một động cơ điện, hiệu suất càng cao thì công suất định mức càng lớn, càng tăng cường làm nguội động cơ thì công suất của động cơ càng lớn

Vì vậy đối với động cơ, người ta thường dung quạt gió để làm nguội và mặt ngoài của vỏ động cơ có những cánh khía để tăng diện tích làm nguội Ngoài ra

để tăng công suất định mức của động cơ, người ta còn dung biện pháp tăng cường sức chịu nong của chất cách điện

Nhiệt độ phát nóng cho phép của động cơ phụ thuộc vào vật liệu cách điện dung trong động cơ, những vật liệu cách điện dùng trong máy điện được phân cấp tuỳ theo sức chịu nóng Theo tiêu chuẩn của Nga vật liệu cách điện được phân thành các cấp sau:

- Vật liệu cách điện cấp : Làm bằng sợi senlulo và lụa, không tẩm sơn cách điện, nhiệt độ lớn nhất cho phép là 90c0

- Vật liệu cách điện cấp E làm bằng chất hữu cơ tổng hợp, nhiệt độ cho phép là 120c0

- Vật liệu cách điện cấp B, làm bằng nhựa mica, amiăng và sợi thuỷ tinh

có tấm kết dính bằng những hợp chất hữu cơ, nhiệt độ cho phép là 130c0

- Vật liệu cách điện cấp F, làm bằng mica, amiăng, sợi thuỷ tinh, có tấm kết dính bằng những hợp chất tổng hợp Nhiệt độ cho phép là 155c0

- Vật liệu cách điện cấp H, làm bằng amiăng và sợi thuỷ tinh có tấm kết dính bằng hợp chất silic - hữu cơ Nhiệt độ cho phép là 1800c

- Vật liệu cách điện cấp C, làm bằng mica, thuỷ tinh thạch anh, vật liệu gốm, không tẩm sơn Nhiệt độ cho phép 180c0

Khi làm việc nếu nhiệt độ của động cơ vượt quá trị số cho phép của chất cách điện dung trong động cơ thì chất cách điện sẽ bị “già” hoặc bị cháy làm động cơ chóng hỏng

Trong điều kiện vận hành bình thường (động cơ làm việc với phụ tải định mức) thời gian sử dụng của chất cách điện phải được trên 15 năm

Trong thực tế thiết kế người ta thường lấy nhiệt độ môi trường làm tiêu

chuẩn(thuờng là 35c0 ) Nếu khi vận hành nhiệt độ môi trường thấp hơn 350c thì

có thể cho phụ tải làm việc lớn hơn công suầt định mức Và ngược lại nếu nhiệt

độ môi trường cao hơn 35c0 thì phải giảm phụ tải của động cơ so với định mức của nó

4 Các chế độ làm việc của truyền động điện

Căn cứ vào đặc tính phát nóng và nguội lạnh của máy điện, người ta chia chế độ làm việc của truyền động thành 3 loại: Dài hạn, ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại

4.1 Chế độ dài hạn: Do phụ tải duy trì trong thời gian dài, cho nên nhiệt

độ của động cơ đủ thời gian đạt tới trị số ổn định Các động cơ trong máy nén khí, bơm nước, quạt gió là những động cơ làm việc ở chế độ dài hạn

4.2 Chế độ ngắn hạn: Do phụ tải duy trì trong thời gian ngắn, thời gian

nghỉ dài, cho nên nhiệt độ động cơ chưa kịp đạt tới giá trị ổn định và nhiệt độ động cơ sẽ giảm về giá trị ban đầu

Các động cơ trong cơ cấu nâng hạ xà ngang và nêm chặt xà của các máy lớn như máy phay giường, mày bào giường, máy tiện đứng, động cơ đóng mở cửa đập nước … Đều làm việc ở chế độ ngắn hạn

3.3 Chế độ ngắn hạn lặp lại: Phụ tải làm việc cú tớnh chất chu kỳ, thời gian làm việc và thời gian nghỉ xen kẽ nhau Nhiệt độ động cơ chưa kịp tăng đến trị số ổn định thỡ được giảm do mất tải, và khi nhiệt độ động cơ suy giảm chưa kịp về giỏ trị ban đầu thỡ lại tăng lờn do cú tải Do vậy người ta đưa ra khỏi niệm thời gian đúng điện tương đối:

Trong đú: tlv : Là thời gian làm việc cú tải

tc.ky = tlv + tnghỉ : Là thời gian của một chu kỳ.g

Theo quy định, động cơ điện nào làm việc với thời gian chu kỳ tck ≤ 10 phỳt mới thuộc chế độ làm việc ngắn hạn lập lại

Bài 2: Chỉ tiêu và các bước chọn công suất động cơ

Động cơ được chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng Đây là điều kiện cơ bản nhất khi chọn công suất động cơ Chọn công suất động cơ sao cho khi làm việc bình thường cũng như khi quá tải trong phạm vi cho phép nhiệt độ trong

động cơ không được vượt quá trị số cho phép

Động cơ được chọn phải đảm bảo tốc độ yêu cầu, bao gồm số vòng quay

định mức của động cơ có cần điều chỉnh tóc độ hay không, phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn hay bé cần điều chỉnh tốc độ có cấp hay vô câp

Hình 6.1 : Chế độ làm việc dài hạn

Hình 6.2 : Chế độ làm việc ngắn hạn

Thường những hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ hoặc

điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rất bé mà có cấp và cơ khí khó khả năng đảm

đương được người ta dùng động cơ điện KĐB roto lồng sóc một tốc độ Đó là loại động cơ rẻ tiền vận hành đon giản và chắc chắn nhất Những hệ truyền động

điều chỉnh tốc độ có cấp và phạm vi điều chỉnh không lớn lắm, nhưng khả năng cơ khí không thoả mãn được hoàn toàn thì nên dùng động cơ KĐB điều chỉnh

được tốc độ như động cơ điện roto lồng sóc có nhiều cấp tốc độ hoặc động cơ roto dây quấn Những truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ khắt khe nên dùng động cơ điện một chiều

Động cơ điện khi được chọn phải đảm bảo khởi động tốt, tuỳ theo yêu cầu của phụ tải là khởi động đầy tải, non tải, hay không tải mà chọn động cơ có hệ số

động χkđ lớn hay bé

b, Về mặt kinh tế

Động cơ được chọn phải làm việc với tính kinh tế cao bao gồm vốn đầu tư

rẻ, chi phí vận hành bảo quản và sửa chữa thấp và điều quan trọng là phải sử dụng hết công suất đặt của động cơ

2 Các bước chọn công suất động cơ

Động cơ điện muốn kéo được cơ cấu sản xuất cần phải sinh ra một momen động MĐ có khả năng khắc phục được momen phụ tải của cơ cấu sản xuất

MĐ ≥ Mft Muốn xác định được công suất động cơ cũng như là tìm MĐ cần phải có các điều kiện ban đầu cũng như là quá trình tính toán các bước sau:

- Phải có biểu đồ phụ tải tĩnh của cơ cấu sản xuất mà động cơ sẽ phục vụ dưới dạng IC = f(t), MC = f1(t) hoặc PC = f2(t) đã tính quy đổi về đầu trục động cơ

Phải có biểu đồ biến thiên tốc độ trong quá trình làm việc n = f(t) hoặc ω

= f(t)

Giả thiết các biểu đồ đã cho như hình

oõủ kủ

0

0

M0

Mc + M

0

M0

Mc

t

t

th

tt



ôđ

n f

i

i i tb

t

t M M

1 1

Trong trường hợp cụ thể của biểu đồ phụ tảI đã cho ở hình 4 – 5b

h od kd

h od

C kd

tb

t t t

t M t

M M

t M M

M

P 



Dựa vào Pmax và các yêu cầu kỹ thuật kinh tế khác ta chọn công suất động cơ có:

Pđm ≥ Pmax thường Pdm = (1 ữ1,3) Pmax, ωdm ≥ Pod

Bài 3: Tớnh chọn cụng suất động cơ cho những truyền động khụng điều

chỉnh tốc độ

Để chọn cụng suất động cơ, chỳng ta cần phải biết đồ thị phụ tải MC(t) và PC(t) đó quy đổi về trục động cơ và giỏ trị tốc độ yờu cầu Từ biểu đồ phụ tải, ta tớnh chọn sơ bộ động cơ theo cụng suất; tra ở trong sổ tay tra cứu ta cú đầy đủ tham số của động cơ Từ đú tiến hành xõy dựng đồ thị phụ tải chớnh xỏc (trong cỏc chế độ tĩnh, khởi động và hóm) Dựa vào đồ thị phụ tải chớnh xỏc, tiến hành kiểm nghiệm động cơ đó chọn

1 Chọn cụng suất động cơ làm việc dài hạn

Đối với phụ tải dài hạn cú loại khụng đổi và loại biến đổi

a) Phụ tải dài hạn khụng đổi:

Động cơ cần chọn phải cú cụng suất định mức Pđm ≥ Pc và ωđm phự hợp với tốc độ yờu cầu Thụng thường Pđm = (1ữ1,3)Pc Trong trường hợp này việc kiểm nghiệm động cơ đơn giản: Khụng cần kiểm nghiệm quỏ tải về mụmen, nhưng cần phải kiểm nghiệm điều kiện khởi động và phỏt núng

Ví dụ công suất trên trục động cơ bơm nước xác định bằng

b c

QH P

γ: tỉ trọng chất lỏng, N/m3 Với nước γ = 1000N/m3

Q: lưu lượng của bơm m3/sec

H: Chiều cao cột nước bơm, bằng tổng chiều cao cột nước hút và cột nước

đẩy, m

ηb: Hiệu suất của bơm

Công suất trên trục động cơ quạt gió được xác định bằng

tr q

QH Pc

ηq: Hiệu suất của quạt gió

ηtr: Hiệu suất khâu truyền lực

Ví dụ:

Xác định công suất động cơ quạt gió có năng suất 15m3/s với tổng áp lực

1960N/m2 Trục động cơ nối cứng với trục quạt gió không qua khâu truyền lực Cho biết tốc độ quạt gió là 960vòng/phút, hiệu suất quạt gió ηq = 0,6

Giải:

Công suất quạt gió được xác định bằng:

KW

QH P

q

496,0.1000

1600.15



Hình 6.4 : Đồ thị phụ tải: a, Phụ tải không đổi

b, Phụ tải biến đổi

Theo tính chất truyền động, nên công suất động cơ lớn hơn công suất tải một ít

ta có thể chọn động cơ điện có công suất Pđm = 55KW

b) Phụ tải dài hạn biến đổi:

Để chọn được động cơ phải xuất phỏt từ đồ thị phụ tải tớnh ra giỏ trị trung bỡnh củamụmen hoặc cụng suất

(6 - 4)

Động cơ chọn phải cú: Mđm = (1ữ1,3)Mtb hoặc Ptb = (1ữ1,3)Ptb

Hoặc giả sử đồ thị và momen phụ tải cú hỡnh như (6 - 3) thỡ tớnh chọn động cơ

đó nờu chi tiết ở mục

2.Chọn cụng suất động cơ làm việc ngắn hạn

Trong chế độ làm việc ngắn hạn cú thể sử dụng động cơ dài hạn hoặc sử dụng động cơ chuyờn dựng cho chế độ làm việc ngắn hạn

a) Chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn:

Trong trường hợp khụng cú động cơ chuyờn dụng cho chế độ ngắn hạn, ta

cú thể chọn cỏc động cơ thụng thường chạy dài hạn để làm việc trong chế độ ngắn hạn Nếu chọn động cơ dài hạn theo phương phỏp thụng thường cú Pđm = (1ữ1,3)Pc thỡ khi làm việc ngắn hạn trong khoảng thời gian tlv nhiệt độ động cơ mới tăng tới nhiệt độ τ1 đó nghỉ làm việc và sau đú hạ nhiệt độ đến nhiệt độ đến nhiệt độ mụi trường τmt Rừ ràng việc này gõy lóng phớ vỡ khụng tận dụng hết khả năng chịu nhiệt (tới nhiệt độ τụđ) của động cơ

Vỡ vậy khi dựng động cơ dài hạn để làm việc ở chế độ ngắn hạn, cần chọn cụng suất động cơ nhỏ hơn để động cơ phải làm việc quỏ tải trong thời gian

Hình 6.5 : Đồ thị phụ tải dài hạn biến đổi

đúng điện tlv Động cơ sẽ tăng nhiệt độ nhanh hơn nhưng khi kết thỳc thời gian làm việc, nhiệt độ của động cơ khụng được quỏ nhiệt độ τụđ cho phộp

Như vậy, để chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn, ta phải dựa vào cụng suất làm việc yờu cầu Plv và giả thiết hệ số quỏ tải cụng suất x để chọn sơ bộ cụng suất động cơ dài hạn (Plv = x.Pđm hay Mlv = x.Mđm) Từ đú

cú thể xỏc định được thời gian làm việc cho phộp của động cơ vừa chọn Việc tớnh chọn đú được lập lại nhiều lần làm sao cho tlv tớnh toỏn ≤ tlv yờu cầu

b) Chọn động cơ ngắn hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn:

Động cơ ngắn hạn được chế tạo cú thời gian làm việc tiờu chuẩn là 15, 30,

60, 90 phỳt

* Khi phụ tải ngắn hạn không đổi

Biểu đồ phụ tải

Việc chọn công suất động cơ rất đơn giản, dựa vào công suất phụ tải tĩnh Pc, chọn công suất động cơ có công suất định mức thoả mãn biểu thức:

Dựa vào các phương pháp đại lượng đẳng trị , tính công suất yêu cầu của phụ tải

2 1

2

2 2 1

2 1

t t

t P t P

Và thời gian làm việc theo tiêu chuẩn của động cơ bằng (t1 + t2)

3 Chọn cụng suất động cơ làm việc ngắn hạn lặp lại

Đề phục vụ cho cỏc phụ tải ngắn hạn lặp lại, người ta chế tạo loại động cơ chuyờn dung, gọi là động cơ ngắn hạn lặp lại

Cũng tương tự như trong trường hợp phụ tải ngắn hạn, ta cú thể chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, hoặc chọn động cơ chuyờn dụng ngắn hạn lặp lại Động cơ ngắn hạn lặp lại, được chế tạo chuyờn dụng cú độ bền cơ khớ cao, quỏn tớnh nhỏ (để đảm bảo chế độ khởi động và hóm thường xuyờn) và khả năng quỏ tải lớn (từ 2,5ữ3,5) Đồng thời được chế tạo chuẩn với thời gian đúng điện ε% = 15%, 25%, 40% và 60%

a, Khi hệ số thời gian đúng điện tương đối của động cơ phự hợp với hệ số thởi gian đúng điện tương đối của phụ tải

* Với phụ tải ngắn hạn lặp lại khụng đổi

Giả sử ta cú biểu đồ phụ tải như sau

Cụng suất định mức của động cơ ngắn hạn lặp lại được xỏc định như sau:

Pđm ≥ Pc

* Với phụ tải ngắn hạn lặp lại biến đổi

Già sử ta cú biểu đồ phụ tải như hỡnh sau

t1 t2

Trước hết ta tính công suất phụ tải đẳng trị của một chu kỳ

2 1

2

2 2 1

2 1

t t

t P t P

b, Khi thời gian đóng điện tương đối của động cơ khác với hệ số thời gian đóng

điện tương đối của phụ tải

Giả sử động cơ có hệ số thời gian đóng điện tương đối (ε%đc ) vàbiểu đồ phụ tải thực tế có hệ số thời gian đóng điện tương đối ε %f t mà ε%đc # ε %f t Công suất định mức của động cơ được xác định là

với Pc là công suất của phụ tải ngắn hạn lặp lại được tính như mục 1

Trường hợp riêng khi động cơ dài hạn phục vụ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại, công suất định mức của động cơ được tính là

dc

ft C

Hệ số thời gian đóng điện tương đối

%2,34

%10040581510204

12

5810412

n i

i i dtr

t

t M M

1

1 2

N

219 5

8 10 4 12

5 100 8 270 10 200 4 150 12

M

9500

720 219 9550

8 15 10 20 4 12

(s)

50

300 250 200 150 100 50

Hình 6.6 : Biểu đồ phụ tải của ví dụ

4 Chọn loại động cơ

a, Chọn dạng dòng điện và động cơ cho máy

Qua nghiên cứu đặc tính, tính năng, các trạng thái làm việc và khả năng điều chỉnh tốc độ của động cơ điện chính Ta thấy, động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc có cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành hạ, tổn hao vận hành bé nhất Bởi vậy những hệ thống truyền động không cần điều chỉnh tốc độ hoặc điều chỉnh tốc độ trong phạm vi bé mà cơ khí có thể đảm đương được người ta thường dùng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc một tốc độ

Những hệ thống truyền động cần điều chỉnh tốc độ có cấp , nên dùng động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi

số đôi cực của stato

Các hệ thống truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ trong phạm vi không lớn lắm, ta có thể dùng động cơ không đồng bộ roto dây quấn Loại động cơ này có momen mở máy khá lớn, có tần số đóng điện cao Nó thường được dùng trong các máy cán thép, cầu trục, thang máy, máy nâng hầm mỏ…

Đối với các máy có công suất lớn ta có thể dùng động cơ điện không đồng

bộ điện áp cao Loại động cơ này thường dùng chế tạo với công suất định mức hàng nghìn KW và điện áp định mức 3000 hoặc 6000

Động cơ điện đồng bộ chỉ có một tốc độ, thường chế tạo với công suất trung bình và lớn Loại này thường dùng trong những hệ truyền động không yêu cầu điều chỉnh tốc độ, ít mở máy, hãm máy

Đối với những hệ truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh không lớn lắm tần số đóng điện không cao, người ta thường dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song với nguồn lấy từ lười điện một chiều lấy từ lưới điện một chiều

Ở những hệ thống truyền động cần điều chỉnh tốc độ êm, phạm vi điều chỉnh lớn, mở máy hãm máy liên tục, phải dùng động cơ điện một chiều kích từ song song làm việc trong hệ thống máy phát - động cơ Khi cần phạm vi điều chỉnh lớn hơn và tốc đô phải ổn định cao ta dùng hệ thống F – D có máy điên khuếch đại

Các hệ thống này thường dùng trong những hệ thống truyền động động cơ công suất trung bình của các máy cán thép bào giường, doa toạ độ,

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có đặc tính cơ mềm rất phù hợp với đặc tính phụ tải của tầu điện, cầu trục, mày cán…

b, Chọn điện áp

* Chọn động cơ điện một chiều

Các cấp điện áp định mức thường được dùng cho động cơ điện một chiều

là 110V, 220V, 440V, và 800V

Động cơ điện một chiều công suất nhỏ có điện áp triung bình 110V và 220V còn loại công suất trung bình và lớn hơn thường dùng điên áp 440V và 800V

Khi chọn điện áp cần chú ý các điểm sau đây

- Điều kiện làm việc của máy có cho phép dùng điện áp cao hay không

- Nhà máy có nguồn điện một chiều có điện áp định mức là baa nhiêu

- Nguồn điện một chiều đặt xa hay gần động cơ điện tiêu thụ Nếu nguồn đặt xa động cơ ta nên dùng điện áp cao để tránh gây tổn thất trên động cơ

- Xem hệ thống khống chế dùng điện áp nào

* Động cơ điện xoay chiều

Các động cơ điện xoay chiều công suất nhỏ, trung bình thường dùng điện

áp định mức 380/220V và 220/127V tương ứng với các cách đấu dây sao – tam giác

Các động cơ điện xoay chiều công xuất lớn thường dùng điện áp cao 3000

và 6000V

Khi chọn điện áp cần căn cứ vào điện áp lưới điện xoay chiều nơi đặt máy là bao nhiêu

c, Chọn kiểu động cơ

Động cơ điện thường được chế tạo theo ba kiểu:

- Kiểu hở: là loại động cơ không có những bộ phận bảo vệ, thường dùng ở nơi khô ráo, sạch sẽ …

- Kiểu bảo vệ: là loại động cơ có các bộ phận bảo vệ không cho các vật bên ngoài lọt vào động cơ như nước phoi kim loại, và không để người va chạm với bộ phận quay của động cơ

- Kiểu kín: Bao gồm nhiều loại

+ Ở nơi nhiều bụi, ẩm ướt, có hơi ăn mòn, ta dùng động cơ kiểu kín có thông gió bằng ống dẫn khí sạch từ ngoài vào hoặc trang bị chất chống ăn mòn

+ Ở nơi có nhiệt độ cao, có khả năng gây cháy, nổ, dùng loại động cơ chống cháy, nổ

+ Khi làm việc ngoài trời dùng động cơ chống mưa

+ Khi àm việc trong nước dùng động cơ trống nước

Bài 4: Tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ

Để tính chọn công suất động cơ trong trường hợp này cần phải biết những yêu cầu cơ bản sau:

a) Đặc tính phụ tải Pyc(ω), Myc(ω) và đồ thị phụ tải: Pc(t), Mc(t), ω(t); b) Phạm vi điều chỉnh tốc độ: ωmax và ωmin

c) Loại động cơ (một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn

d) Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động cần phải địnhhướng xác định trước

Hai yêu cầu trên nhằm xác định những tham số Pycmax và Mcymax Ví dụ đối với phụ tải truyền động yêu cầu trong phạm vi điều chỉnh, P = hằng số Ta có công suất yêu cầu cực đại Pmax=Pđm = const, nhưng mômen yêu cầu cực đại lại phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh

Đối với phụ tải truyền động yêu cầu trong phạm vi điều chỉnh M = const Ta có công suất yêu cầu cực đại Pmax=Mđm.ωmax Hai yêu cầu về loại động cơ và loại truyền động có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Nó xác định kích thước công suất lắp đặt truyền động, bởi vì hai yêu cầu này cho biết hiệu suất truyền động và đặc tính điều chỉnh Pđc(ω), Mđc(ω) của truyền động Thông thường các đặc tính này thường phù hợp với đặc tính phụ tải yêu cầu Pyc(ω), Myc(ω)

Tuy vậy có trường hợp, người ta thiết kế hệ truyền động có đặc tính điều chỉnh không phù hợp chỉ vì mục đích đơn giản cấu trúc điều chỉnh

Ví dụ: Đối với tải P = const, khi sử dụng động cơ một chiều, phương pháp điều chỉnh thích hợp là điều chỉnh từ thông kích từ Nhưng ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng thì khi tính chọn công suất động cơ cần phải xét yêu cầu Mmax Như vậy công suất động cơ lúc đó không phải là Pđm = Pyc mà là:

Như vậy công suất đặt sẽ lớn hơn D lần so với Py/c Mặt khác việc tính chọn công suất động cơ còn phụ thuộc vào phương pháp điều chỉnh tốc độ, ví dụ cùng một loại động cơ như động cơ không đồng bộ, mỗi phương pháp điều chỉnh khác nhau có đặc tính hiệu suất truyền động khác nhau, phương pháp điều chỉnh điện áp dùng Thyristor có hiệu suất thấp so với phương pháp điều chỉnh tần số dùng bộ biến đổi Thyristor Vì vậy khi tính chọn công suất động cơ bắt buộc phải xét tới tổn thất công suất ΔP và tiêu thụ công suất phản kháng Q trong suốt dải điều chỉnh Do vậy việc tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ cần gắn với một hệ truyền động cho trước để có đầy đủ các yêu cầu cơ bản cho việc tính chọn

Bài 5: Kiểm nghiệm công suất động cơ

Việc tính chọn công suất động cơ ở các phần trên được coi là giai đoạn chọn sơ bộ ban đầu Để khẳng định chắc chắn việc tính chọn đó là chấp nhận được ta cần kiểm nghiệm lại việc tính chọn đó

Yêu cầu về kiểm nghiệm việc tính chọn công suất động cơ gồm có:

- Kiểm nghiệm phát nóng: Δυ ≤ Δυcf

- Kiểm nghiệm quá tải về mômen: Mđm.đcơ > Mcmax

- Kiểm nghiệm mômen khởi động: Mkđ đcơ ≥ Mc mở máy

Ta thấy rằng việc kiểm nghiệm theo yêu cầu quá tải về mômen và mômen khởi động có thể thực hiện dễ dàng Riêng về yêu cầu kiểm nghiệm phát nóng là khó khăn, không thể tính toán phát nóng động cơ một cách chính xác được (vì tính toán phát nóng của động cơ là bài toán phức tạp)

CHƯƠNG 7: BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM

Mục tiêu:

- Nhận dạng được ngõ vào, ngõ ra của bộ khởi động mềm

- Kết nối mạch động lực cho mạch khởi động mềm

- Khởi động và thực hiện dừng mềm cho động cơ

- Nhận dạng các loại hình khởi động mềm sử dụng trong xưởng trường, ngoài doanh nghiệp điển hình

Bài 1: Khái quát chung về khởi động mềm và vấn đề tiết kiệm điện

Với tốc độ phỏt triển nhanh của ngành điện tử và tự động húa, biến tần và khởi động mềm ngày càng được ứng dụng rộng rói trong nhiều lĩnh vực Chỳng được

sử dụng trong cỏc quỏ trỡnh cụng nghiệp để cải thiện khả năng điều khiển nhằm nõng cao chất lượng, tăng năng suất và tiết kiệm điện năng Tuy nhiờn, thực tế triển khai dự ỏn tại nước ta cho thấy, trong nhiều trường hợp, cú thể tiết kiệm điện năng bằng cỏc thiết bị này chưa được hiểu và đỏnh giỏ đỳng dẫn đến thiết

kế lắp đặt sai mục đớch và hiệu quả kinh tế trong vận hành bị hạn chế Cỏc sỏch giỏo khoa về truyền động điện rất ớt đề cập đến vấn đề này trong khi tài liệu của

Hình 1: Một số bộ khởi động mềm

nhà sản xuất thường chỉ cung cấp thông số, tính năng thiết bị Bài viết này muốn phân tích rõ hơn bản chất vật lí của vấn đề tiết kiệm

điện năng nhờ các thiết bị nói trên và trình bày phương pháp đánh giá hiệu quả thông qua khảo sát các ứng dụng điển hình về tiết kiệm điện năng là bơm và quạt Khởi động mềm hay biến tần? Với một trạm bơm tưới tiêu dù công suất lớn, để khởi động bơm vào chiều tối và dừng lúc bình minh thì chỉ cần khởi động mềm là đủ Ngược lại, việc điều khiển các vòi phun của một đài nước dù nhỏ vẫn phải cần có biến tần để đạt được các hiệu ứng mỹ thuật động Khởi động mềm tăng dần vận tốc động cơ đến tốc độ làm việc nhưng không thể giúp động cơ vận hành ở các vận tốc khác Thiết bị điện tử công suất này thay thế các điều khiển sao - tam giác truyền thống và rất thích hợp cho các ứng dụng bơm/ quạt li tâm để hạn chế dòng khởi động Đây là giải pháp kinh tế nhất để khởi động/ dừng động cơ công suất lớn nhờ: Giảm tác hại do quá trình quá độ động học của lưu chất như triệt sự va đập nước khi khởi động/ dừng bơm Bảo vệ tránh chạy không tải, mất hoặc ngược pha, quá tải động cơ, kẹt cơ khí Giảm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp (dòng đỉnh và sụt áp khi khởi động) Khả năng giao tiếp với mạng điều khiển Biến tần thay đổi tần số điện áp cấp nguồn cho động

cơ nhằm điều chỉnh tốc độ phù hợp với các yêu cầu của hệ truyền động Giá trị

“tốc độ tham chiếu” lấy từ bộ điều khiển quá trình (lưu lượng hay áp suất) Đây

là bộ điều khiển loại PI và có thể tách rời hay tích hợp sẵn trong biến tần Các tốc độ tham chiếu và chức năng “tăng tốc/ giảm tốc” đôi khi còn được sử dụng

để vận hành theo các tín hiệu điều khiển logic Ngoài các ưu điểm như khởi động mềm, biến tần còn có những tính năng ưu việt khác: Điều chỉnh lưu lượng

và áp suất ở mức yêu cầu Hiệu suất cao hơn trong chế độ làm việc liên tục Tự động hóa hoàn toàn Tiết kiệm điện năng đáng kế Biến tần kết hợp động cơ không đồng bộ có thể thay thế giải pháp truyền thống sử dụng van điều khiển và cho phép tiết kiệm điện năng nhờ khả năng thay đổi tốc độ Việc loại bỏ van tiết lưu sẽ đơn giản hóa đáng kể hệ thống đường ống và giảm thiểu việc tổn hao áp suất Như vậy, cả biến tần và khởi động mềm đều có thể thực hiện việc khởi

động/ dừng động cơ tốt như nhau Sự khác biệt cơ bản trong ứng dụng là biến tần có khả năng thay đổi tốc độ làm việc của động cơ nhưng khởi động mềm thì không thể Khởi động mềm và tiết kiệm điện năng Về mặt công nghệ, có thể dễ dàng tích hợp vào khởi động mềm chức năng dịch lui pha của sóng điện áp để tiết kiệm điện năng khi động cơ làm việc ở chế độ nhẹ tải Tuy nhiên, trên thực

tế động cơ có thể tiêu tốn nhiều điện năng hơn khi sử dụng chức năng này Chức năng tiết kiệm điện năng của khởi động mềm, nếu có, thực chất

là nhằm vào việc cải thiện hiệu suất động cơ Thực tế chế độ làm việc ảnh hưởng đến phân nửa tổn hao của động cơ, nửa kia là tổn hao cơ (ma sát và thông gió) Như vậy, với động cơ có hiệu suất 95%, điện năng tiết kiệm được tối đa là 2.5% Theo kết quả thực nghiệm, để đạt được mức tiết kiệm trên, động cơ phải giảm xuống dưới 50% tải trong ít nhất 25% khoảng thời gian của chu trình làm việc Những thiết bị cần thiết phải tiết kiệm điện năng như quạt và bơm lại hiếm khi làm việc dưới 80% tải Trong những ứng dụng này, việc tiết kiệm điện năng thực sự chỉ đạt được bằng cách giảm tốc độ động cơ Đối với những ứng dụng khác mà việc tiết kiệm điện năng có thể cần tính đến như máy nén khí và băng tải, chu trình vận hành thường có xu hướng buộc động cơ đột ngột quay lại trạng thái đầy tải Việc áp toàn mômen tải lên trục động cơ lập tức như vậy có thể làm cho động cơ đang ở trạng thái non kích từ (để tiết kiệm điện năng) hút dòng lớn trong quá trình phục hồi mômen điện từ Do đó, một phần hoặc tất cả điện năng được tiết kiệm trong lúc non tải sẽ tiêu hao trong quá trình quá độ này Ngoài ra,

để chức năng tiết kiệm điện năng hoạt động, chúng ta không thể sử dụng công tắc tơ nối tắt phần điện tử công suất trong khởi động mềm và do đó chịu thêm tổn hao và ảnh hưởng của hòa tần bậc cao Thông thường khởi động mềm tiêu tán 3 watt cho mỗi ampe của dòng động cơ và cần phải trừ đi tổn hao này từ phần điện năng tiết kiệm được khi tính hiệu quả thực Như vậy, mặc dù nhiều nhà sản xuất giới thiệu chức năng tiết kiệm điện năng của khởi động mềm, thực

tế rất khó đánh giá và hiệu quả kinh tế khi đưa vào vận hành vẫn cần xem xét lại Biến tần và tiết kiệm điện năng Lĩnh vực có thể sử dụng biến tần để tiết kiệm

điện năng là các hệ thống có mômen tải thay đổi theo tốc độ mà bơm và quạt ly tâm là những ứng dụng điển hình Quan hệ giữa tải và vận tốc tuân theo luật đồng dạng: lưu lượng tỉ lệ bậc nhất, áp suất tỉ lệ bình phương, công suất tỉ lệ lập phương với vận tốc Dưới đây, để làm rõ cơ chế tiết kiệm điện năng chúng ta sẽ khảo sát trường hợp bơm ly tâm Trạng thái làm việc của hệ thống bơm có thể biểu diễn trên đồ thị lưu lượng - áp suất như hình 1: chế độ làm việc xác lập là giao điểm của đường cong đặc tính bơm và đặc tính hệ thống thủy lực Ở bên trái điểm này làm, áp suất tạo ra bởi bơm lớn hơn áp suất cần thiết, lưu chất tăng vận tốc và lưu lượng tăng Ở bên phải điểm làm việc, áp suất bơm tạo ra nhỏ hơn áp suất cần thiết lưu lượng giảm Tại điểm làm việc, áp suất bơm cân bằng với áp suất hệ thống yêu cầu, lưu chất đạt đến vận tốc ổn định Hình 1: Chế độ xác lập của hệ thống Trong các hệ

thống điều khiển lưu lượng bằng van, đặc tính của hệ thống thủy lực thay đổi theo vị trí của van Điểm vận hành sẽ dịch chuyển trên đường đặc tính bơm tùy theo lưu lượng yêu cầu Điều chỉnh lưu lượng bằng van Ngược lại, khi sử dụng biến tần để điều tiết lưu lượng, đặc tính bơm sẽ thay đổi và điểm làm việc sẽ dịch chuyển dọc theo đường đặc tính của hệ thống thủy lực như Điều chỉnh lưu lượng bằng biến tần Tại mỗi điểm làm việc, công suất tiếp nhận bởi lưu chất

có thể tính bằng tích của áp suất và lưu lượng và biểu diễn bởi diện tích hình chữ nhật gạch chéo So sánh diện tích này ở hai phương thức điều khiển với cùng một lưu lượng làm việc dễ dàng nhận thấy công suất bơm cần phải phát động trong trường hợp sử dụng biến tần là ít hơn đáng kể khi lưu lượng nhỏ hơn giá trị định mức của hệ thống Áp suất khi đó được giảm theo lưu lượng nhờ vậy tránh tiêu phí năng lượng do tổn thất áp suất như trong trường hợp điều khiển bằng van Công suất tiêu thụ ở lưu lượng thấp thể hiện ưu điểm của điều khiển biến tần Hệ thống quạt và máy nén khí ly tâm có các đường đặc tính áp suất - lưu lượng có dạng tương tự như hệ thống bơm Các hệ thống này cũng tuân thủ những nguyên tắc điều khiển lưu lượng và cơ chế tiết kiệm điện năng như đã xét

ở phần trên Ví dụ về việc áp dụng biến tần (VFD - Variable Frequency Drive)

cho bơm và quạt trong hệ thống điều hũa thụng giú (HVAC) cho cao ốc nhằm giải quyết bài toỏn tiết kiệm điện năng Ngoài ra biến tần cũn giỳp giảm dũng khởi động mà mụmen khởi động lớn

Bài 2: Nguyờn lý hoạt động chung của bộ khởi động mềm và mạch

lực

2.1 Dùng vi xử lý PSOC

Trong cụng nghiệp việc khởi động động cơ cụng suất lớn là một vấn đề đỏng quan tõm do dũng điện khởi động tăng cao khi khởi động Hiện nay cỏc bộ khởi động mềm tương tự đó cú trờn thị trường Tuy nhiờn ở cỏc nước tiờn tiến họ đều chế tạo dạng số và cú giỏ thành tương đối cao Vài năm gần đõy kỹ thuật vi

xử lý ngày càng phỏt triển Việc nghiờn cứu ỏp dụng những cụng nghệ mới, chế tạo ra hệ thống điều khiển số linh hoạt hơn, tin cậy hơn, thuận tiện cho người sử dụng là đỏng quan tõm Hiện nay Trung tõm Nghiờn cứu Triển khai Cụng nghệ cao đang tiến hành nghiờn cứu và phỏt triển bộ

khởi động mềm điều khiển bằng kỹ thuật số nhằm mục địch sớm đưa ra sản phẩm thay thế cho hàng nhập ngoại với giỏ thành rẻ hơn

Nội dung của bài bỏo tập trung giới thiệu về mạch điều khiển số dựng vi xử lý PsoCvà cỏc đặc tớnh nổi bật của bộ khởi động mềm

2.2.Nguyên lý chung của bộ khởi động mềm

Khi đúng điện lưới trực tiếp vào động cơ khụng đồng bộ để khởi động thỡ lỳc đầu do rụto chưa quay, độ trượt lớn (s = 1) nờn sức điện động cảm ứng và dũng điện cảm ứng lớn: Idm Dũng điện này cú trị số đặc biệt lớn ở cỏc động cơ cụng suất trung bỡnh và lớn, tạo ra nhiệt đốt núng đụng cơ Tuy dũng điện lớn nhưng mụmen khởi động lại nhỏ: Mkđ= Mdm Núi chung yờu cầu khi khởi động động cơ là:

 Phải cú mụmen khởi động đủ lớn để thớch ứng với đặc tớnh cơ của tải

 Dòng khởi động càng nhỏ càng tốt

 Phương pháp khởi động cần dùng thiết bị đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

 Tổn hao công suất trong quá trình khởi động càng nhỏ càng tốt

Không thể có một phương pháp khởi động đáp ứng được hết các yêu cầu trên, tuy nhiên tuỳ trường hợp cụ thể mà ta phải lựa chọn phương án cho phù hợp

Trường hợp động cơ có công suất nhỏ từ 7,5 – 22 kW thì có thể khởi động trựctiếp, sử dụng công tác tơ 3 pha, động cơ khởi động theo đặc tính tự nhiên với mômen mở máy nhỏ Đây là phương pháp khởi động đơn giản nhất nhưng trong quá trình khởi động trực tiếp dòng điện động cơ lớn, nếu làm thời gian khởi động kéo dài có thể làm nóng và hại máy

Hình 7.2: Luật thay đổi điện áp theo thời gian

Đối với các động cơ công suất vừa và lớn để hạn chế dòng điện động cơ lúc khởi động người ta thường thực hiện bằng cách tăng dần điện áp đặt vào động cơ Ban đầu điện áp da dựt vào là U0, có giá trị bằng khoảng 50% điện áp lưới Trong khoảng thời gian t1 điện áp tăng dần từ U0 đến U1 Trong khoảng thời gian t2 điện áp tăng vọt từ U1 đến Udm Như vậy động cơ được khởi động mềm bằng cách tăng dần, ®iện áp cấp cho động cơ

Để thay đổi giá trị điện áp xoay chiều, ngoài phương pháp cổ điển là dùng máy biến áp, người ta có thể dùng các bộ thyristor đấu song song ngược Nhờ

biện pháp này việc điều chỉnh điệnáp được linh hoạt hơn, do vừa có khả năng hạ thấp được điện áp khi mở máy, lại điều chỉnh trơn, khởi động êm, không phát sinh tia lửa điện, có thể áp dụng với nhiều dải công suất, vận hành an toàn, độ tin cậy cao Kích thước bộ biến đổi gọn, nhẹ và có giá thành hạ hơn nhiều so với dùng biến áp Đối với động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha, bộ biến đổi thường dùng là bộ biến đổi điệnáp xoay chiều ba pha Sơ đồ mạch điện van bao gồm ba cặp thyristor mắc song song ngược như hình 7 2

Hình 7.2: Mạch lực hệ thống

Về bản chât, đây là phương pháp hạ điện áp đặt vào động cơ Cho ta thấy phương pháp này thích hợp nhất với động cơ kéo các máy thuỷ khí như máy bơm, quạt gió,… Đối với các ứng dụng có mômen cản không đổi, thì mômen cần phải nhỏ hơn mômen khởi động Biện pháp này không phù hợp lắm với các ứng dụng có mômen cản tỉ lệ nghịch với tốc độ

Điện áp cấp cho động cơ thay đổi phụ thuộc vào việc điều khiển thời điểm đóng mở của thyristor, hay chính là thay đổi góc điều khiển Đối với bộ điều

áp xoay chiều ba pha, mối tương quan giữa điện áp đầu ra và góc là khá phức tạp, tuỳ thuộc vào từng khoảng giá trị của Để đơn giản, từ quy luật biến điện

áp ta đưa về dạng gần đúng quy luật biến đổi góc như hình 3

Hình 7.4: Luật thay đổi góc điều khiển theo thời gian

Góc được giảm dần từ giá trị đặt về 0 Muốn phát xung vào cực điều khiển của mỗi thyristor theo chu kỳ, theo luật, phải xây dựng cho bộ biến đổi một hệ thống điều khiển

Bài 3.Khởi động mềm và dừng mềm

Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởi động lớn

là vấn đề khởi động mềm và dừng mềm động cơ

3.1 Giíi thiÖu chung

Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm

dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động

cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức Đó là quá trình khởi động mềm (ramp) toàn bộ quá trình khởi động được điều khiển đóng mở thyristor

bằng bộ vi sử lý 16 bit với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lưới Ngoài ra còn cung cấp cho chúng ta những giải pháp tối ưu nhờ nhiều chức năng như khởi động mềm và dừng mêm, dừng đột ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng

lượng khi non tải Có chức năng bảo vệ

3.2 Những ứng dụng điển hình của bộ khởi động mềm

- Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu

- Động cơ bơm

- Động cơ vân hành non tải lâu dài

- Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải )

- Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy nghiền, máy ep, máy khuấy, máy dệt

* Những đặc điểm khác:

- Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt

- Có chức năng điều khiển và bảo vệ

Mạch lực của hệ thống khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngược cho 3 pha Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỉ

lệ với điện áp, mô men gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp Quy luật điều chỉnh này trong khi khởi động và dừng nhờ điều khiển pha (kích, mở 3 cặp thyristor song song ngược) trong mạch lực Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện

áp là thay đổi

Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở thyristor bị cắt và dòng điện dừng tại điểm qua không kế tiếp của điện áp nguồn

IA – Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp

IS – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp

In – Dòng điện định mức của động cơ

Us – Điện áp bắt đầu ramp

Un – Điện áp định mức của động cơ

tr - Thời gian ramp

n - Tốc độ động cơ

Nếu phát hiện động cơ đạt tốc độ yêu cầu trước khi hết thời gian đặt của

bộ khởi động mềm, điện áp vào lập tức được tăng lên 100% điện áp lưới,

đó chính là chức năng phát hiện tăng tốc

3.3.2 Dừng tự do theo quán tính

Nếu điện áp cấp bị cắt trực tiếp, động cơ chạy theo quán tính cho tới khi dừng trong khoảng thời gian xác định Thời gian dừng với mômen quán tính nhỏ có thể rất ngắn, cần tránh trường hợp này đề phòng sự phá huỷ về cơ và sự dừng tải đột ngột không

mong muốn

3.3.3 Dừng mềm

Không nên cắt trực tiếp các động cơ có mômen quán tính nhỏ như băng truyền, thang máy, máy nâng để đảm bảo không nguy hiểm cho người, thiết bị và sản phẩm

Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong khoảng từ

1 đến 20 giây tuỳ thuộc vào yêu cầu Điện áp ban đầu cho dừng mềm Ustop = 0,9Un và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu Thời gian ramp điện áp tới 1000 giây cùng điện áp đầu và cuối quá trình dừng mềm đặt theo chương trình