Tài liệu Tổng quan về các hệ truyền động một chiều docx

Phân loại: * Ta có đặc tính cơ tự nhiên nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức điện áp, tần số, từ thông định mức, và không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ, trên đặc tính cơ tự

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN

ĐỘNG MỘT CHIỀU

I Đăc tính cơ của động cơ điện một chiều

I.1 Khái quát về động cơ điện một chiều

Hiện nay, trong công nghiệp đều đang sử dụng điện xoay chiều là chủ yếu vì kết cấu đơn giản, giá thành hạ Tuy nhiên nhược điểm là không dùng được những phương pháp và thiết bị đơn giản để điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng và bằng phẳng hơn nữa tiêu thụ công suất lại lớn làm hệ số cosФ của lưới điện thấp Trong khi động cơ điện một chiều thể hiện tính ưu việt của nó hơn hẳn Do đó, máy điện hiện đại đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cơ cấu nâng hạ, cầu trục, cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…sẽ sử dụng động cơ điện một chiều

Động cơ điện 1 chiều gồm:

Động cơ điện một chiều kích từ động lập và kích từ song song Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

I.2 Khái niệm về đặc tính cơ

Đặc tính cơ của động cơ điện là mối quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ: ω = f(M) Phân loại:

* Ta có đặc tính cơ tự nhiên nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức, và không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ), trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, ωđm

* Ta có đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ (U ≠ Uđm hoặc Rp ≠ 0 hoặc Φ ≠ Φđm)

Để đánh giá và so sánh đặc tính cơ ta có khái niệm độ cứng đặc tính cơ β đợc tính bằng sai lệch ΔM so với Δω

β =

ω Δ

ΔM

- Đặc tính cơ tuyệt đối cứng β = ∞: Khi mômen thay đổi thì tốc độ không thay đổi, có ở động cơ điện xoay chiều đồng bộ

- Đặc tính cơ cứng β lớn: Khi mômen thay đổi thì tốc độ ít thay đổi, có ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Đặc tính cơ mềm β nhỏ: Khi mômen thay đổi thì tốc độ thay đổi nhiều, có ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

H.1.1 Độ cứng đặc tính cơ

Trong đó: (1): đặc tính cơ tuyệt đối cứng, (2): đặc tính cơ cứng,

(3): đặc tính cơ mềm

Với động cơ điện một chiều, ngoài đặc tính cơ ta còn dùng đặc tính

cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện: ω = f(I)

Tốc độ cơ bản của động cơ điện một chiều kích từ độc lập và hỗn hợp là tốc độ không tải lí tởng ω0, với động cơ kích từ nối tiếp là ωđm Trị số điện trở cơ bản: R

R=

dm

dm

I U

I.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi khi mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ gọi là động cơ kích từ song song

*Sơ đồ nguyên lí:

®−êng3

®−êng2

®−êng1

ω

Δω2

Δω1

M

Hình 1.2 Động cơ một chiều kích từ Hình 1.3 Động cơ một chiều kích từ song song độc lập

Trong sơ đồ :

Đ: động cơ

Rf , Rkt: điện trở phụ phần ứng động cơ, điện trở kích từ

Uư , Ukt: điện áp phần ứng, điện trở kích từ

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với

nhau, lúc này động cơ gọi là động cơ kích từ độc lập

I.3.1 Phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch kích

từ và mạch phần ứng được mắc vào hai nguồn điện một chiều độc lập với nhau khi đó ta có động cơ kích từ độc lập

Đặc tính cơ được biểu thị bằng mối quan hệ giữa tốc độ quay và mômen n = f(M)

Theo sơ đồ H.1.2 va H.1.3, có thể viết phương trình cân bằng điện

áp như sau:

U= E+ (R +Rf)I ( 1.1) Trong đo: +U :điện áp phần ứng, V

+E :sức điện động phần ứng, V

+R :điện trở phần ứng, Ω

+Rf :điện trở trong mạch phần ứng, Ω

+I :dòng điện mạch phần ứng, A

Mặt khác, sức điện động phần ứng động cơ đợc xác định theo biểu thức sau:

§

U ö

I kt

I

Rf

R kt CKT

U kt

U ö

I

I kt

E =

a

pN

Π

Trong đó: +p : số đôi cực từ chính

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

+a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần

ứng

+Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb

+ω: tốc độ góc, rad/s

K=

a

pN

Π

2 :hệ số cấu tạo của động cơ

(1.1) và (1.2) => KΦω = U –I.(R+ Rf) ta suy ra :

Phương trình đặc tính cơ điện: ω = f(I)

ω = - Iư (1.3)

Mặt khác, mômen điện từ của động cơ được xác định bởi:

Mđt = K.Φ I (1.4)

=> I =

Φ

K

M dt

Phương trình đặc tính cơ: ω = f(M)

ω = - Mđt (1.5)

Dạng đồ thị:

Điện áp phần ứng đợc bù đủ, từ thông Φ = const, thì phương trình

đặc tính cơ (điện) là tuyến tính Đồ thị là những đường thẳng

Hình 1.4 Đặc tính cơ của

động cơ điện một chiều kích từ

độc lập

Hình 1.5 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc

lập

Từ đồ thị trên ta thấy :

Khi Iư = 0 (M = 0) => ω = ω0 ( ω0: tốc độ không tải lý tưởng của động cơ )

Khi ω0 = 0 => Iư = Inm,

Và M =KΦInm,

Inm, Mnm gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch

Phơng trình đặc tính (1.5) đợc viết ở dạng:

ω = ω0 – Δω (1.6)

(Δω = Mđt :thông số đánh giá về độ cứng của đặc tính cơ )

H.1.6 Độ sụt tốc độ ứng với giá trị của mômen

Nhận xét:

Δω

M

ω

ω0

M

ϖ

ϖ®m

Inm

ϖ

ϖ®m

- Khi mômen của phụ tải tăng từ 0 đến Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω0 về ωđm

- Ứng dụng: trong động cơ tàu điện, máy mài…

I.3.2 Phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng

Sơ đồ nguyên lí động cơ một chiều kích từ nối tiếp được vẽ trên H1.7 Vì dòng kích từ cũng là dòng phần ứng nên từ thông của động cơ biến đổi theo dòng điện phần ứng

Phương trình đặc tính cơ (1.5) được viết ở dạng:

- Phương trình đặc tính cơ:

k . k '. M

U

= ω

- Phương trình đặc tính cơ điện:

k k ' I u

U

= ω

Trong đó : k’ : hệ số tỉ lệ

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.7 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

U

Rf

§

CKT

Ikt

Dạng đồ thị :

Hình 1.8 Đặc tính cơ Hình 1.9 Đặc tính cơ điện

* Nhận xét :

- Khi Mc = 0 (Ic = 0 ) tốc độ động cơ vô cùng lớn Do vậy, động

cơ không thể hoạt động trong tình trạng không tải vì khi đó sẽ gây hại cho hệ truyền động của động cơ

- Từ thông phụ thuộc vào dòng phần ứng, khi tải tăng không ảnh hưởng đến sụt áp của lưới điện

- Ứng dụng: Ở máy nâng vận chuyển, máy cán… Do động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp làm việc quá tải và yêu cầu mômen lớn

II Ảnh hưởng điện áp phần ứng đối với động cơ điện một chiều

Từ phơng trình đặc tính cơ (1.5)

ω = - Mđt (1.5)

Ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ

Φ, điện áp phần ứng U và điện trở phần ứng động cơ

II.1 ảnh hưởng của điện trở phần ứng R

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf

vào mạch phần ứng với các cấp điện trở khác nhau

Giả thiết: Uư = Uđm = const; Ф = Фđm = const

=> ω0 = const

Độ cứng β = var

ϖ

ϖ

I

I c

Rf1 < Rf2 < Rf3 < Rf4

Rf1 = 0: Ứng với đường đặc tính cơ tự nhiên

Rf2; Rf3 ; Rf4 : Các cấp điện trở ứng với đường đặc tính cơ nhân tạo

Hình 1.10 Đường đặc tính cơ

của động cơ điện một chiều

* Nhận xét:

Khi Rf lớn, β càng nhỏ, đặc tính cơ càng dốc nên tốc độ càng

giảm đồng thời Inm và Mnm cũng giảm

Do vậy, ta sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và

điều chỉnh tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản

II.2 ảnh hởng của từ thông

Фđm < Ф1 < Ф2 Giả thiết :

Uư = Uđm = const;

Rư = const Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ

=> ω0 = var

Độ cứng β = var

Hình 1.11 Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ở những từ

thông khác nhau

* Nhận xét :

Khi giảm từ thông thì ω0 tăng dẫn đến β giảm Do đó, đường đặc

tính cơ mềm đi.Vậy khi giảm từ thông Ф thì tốc độ động cơ tăng lên

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

ϖ

ϖ0

M

M ®m

R f1

R f2

R f3

R 4

0

M

M ®m

Φ 2

Φ 1

Φ ®m

Dòng điện ngắn mạch Inm = var

Mômen ngắn mạch Mnm = K.Inm Ф = var

II.3 ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Uđm > U1 > U2 > U3

Giả thiết :

Ф = Фđm = const;

Rư = const => ω0 = var

Độ cứng β = const

Hình 1.12 Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ở những điện áp

trên phần ứng khác nhau

* Nhận xét :

Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ (giảm điện áp phần ứng) ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên Khi tăng điện áp phần ứng, động cơ sẽ dễ bị cháy

Khi giảm Uđc < Uđcđm thì Inm, Mnm giảm và tốc độ động cơ cũng giảm với một phụ tải nhất định (Mđc =const)

Công suất Pđ tỷ lệ với tốc độ không tải đ giảm

Tốc độ không tải giảm: 0 =

dm

K

U

Φ , = 2

) (KΦ

R u

.M = const

Do vậy, việc giảm điện áp phần ứng được sử dụng để giảm áp và cho ra những tốc độ cơ bản

III Các phương pháp điều chỉnh động cơ điện một chiều

III.1 Phương pháp chỉnh lưu

III.1.1 Chỉnh lưu bán dẫn

U ®m

U 1

U 2

U 3

0

ϖ

ϖ0

ϖ1

ϖ2

ϖ3

Trong hệ truyền động CL- Đ, bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có suất điện động Eđ phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển Chỉnh lu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà dùng các sơ đồ chỉnh lu thích hợp Ta có các sơ đồ chỉnh lưu nh sau: + Số pha: 1 pha, 3 pha …

+ Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng và không đối xứng

+ Số nhịp: số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kì điện áp nguồn

+ Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [U , d I d]

+ Chế độ năng lợng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc

+ Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn

Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào tính chất của tải, trong truyền động điện tải thờng là cuộn kích từ (L - R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L -R- E) Để tìm hiểu hoạt động của hệ CL-Đ ta phân tích một sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha

Ở chế độ dòng liên tục: Khi dòng điện chỉnh lưu id là liên tục thì có thể dựng được đồ thị các quá trình dòng điện và điện áp Suất điện động chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình của suất điện động chỉnh lưu được tính như sau: Ed =

Π 2

p

∫

Π

+ p

m d

U

2

2 sin

α

α

θ

θ = Ed0.cos

= e, = 0 – (

p

Π

−

Π

p

p

2

sin

Trong đó : e:tần số góc của điện áp xoay chiều

: góc mở van tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên

0: góc điều khiển tính từ thời điểm SĐĐ xoay chiều bắt đầu d-ương

p: số xung áp đập mạch trong một chu kì điện áp xoay chiều

H.1.13 Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia 3 pha

Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế (H.1.21)

U2m sin( + 0) =E +R.id +L dt

di d

, Với sơ kiện khi = 0 thì id = I0 có nghiệm sau:

id = [RI0+ E –U2m.cos sin( 0- )].e-( - 0)cotg -

[ E –U2m.cos sin( - )]

Trong đó: = arctg

R

L

e. ω

H1.14.Đặc tính điều chỉnh và đồ thị thời gian

Nếu góc dẫn của van là thì có thể tính được thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lưu, chính là thành phần sinh mômen quay của động cơ:

§

L

+

-c b a

R L

E

U2 a U2 b U2 c

E d

t ϖ

ϖ

p

2 π λ

t 1

i

t

U 2a

U 2c

U 2b 2a

U

t t t t t t t

U

0

0

I= pΠλ∫i d dθ

0

⎦

⎤

⎢

⎣

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

p

m.sin2.sin 2 2

λ λ α λ

Còn giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu thì được tính bởi biểu thức đơn giản hơn

Id =

L R

E

E d

0

0 cos ω

α +

−

III.1.2.Chỉnh lưu tiristo

* Xét chế độ dòng liên tục

Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng điện phần ứng động cơ điện Dựa vào sơ đồ thay thế viết được phương trình đặc tính:

K

X R K

E

dm

k t dm

d0.cos . .

Φ

− Φ α

X R K

dm

d

2

0 cos

Φ

− Φ

α

Đặc tính cơ có độ cứng = ( )

k

dm X R

2

, tốc độ không tải phụ thuộc vào góc điều khiển

0 =

dm

d

K

E

Φ

α cos

1 Thay đổi góc điều khiển từ 0 - , suất điện động chỉnh lưu biến thiên từ Ed0 → -Ed0và ta được một họ đặc tính song song nhau nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng toạ độ, do các van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều

2 Khi tăng góc điều khiển từ 0 đến

2

Π bộ biến đổi làm việc ở chế

độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm việc ở chế độ động cơ nếu E còn dương và chế độ hãm ngược nếu E đổi chiều

3 Khi tăng góc điều khiển từ

2

Π đến max thì Ed và E đều đổi dấu Nếu sđđ động cơ lớn hơn giá trị trung bình của sđđ của bộ biến đổi thì dòng điện phần ứng sẽ chảy theo chiều cũ, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh, dới tác dụng của sđđ động cơ mà các van tiristo sẽ dẫn dòng trong thời gian nủa chu kì âm của điện áp lưới Góc pha của dòng điện xoay chiều lớn hơn

2

Π, bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều,

cùng tần số lưới và trả về lưới điện Dòng điện trung bình của mạch phần ứng và phương trình đặc tính tốc độ là:

I =

k

X R

E

+

−

K

X R K

E

dm

k dm

d

Φ

+ + Φ

β cos

0

Điều kiện làm việc an toàn của nghịch lưu phụ thuộc là:

max =

- min

Thay giá trị này vào phương trình đặc tính tốc độ và để ý rằng: k

mk

d X I

E

2

0 =

Ta tìm được giá trị tốc độ tối đa cho phép hệ CL-Đ làm việc ở chế

K

R X K

E

dm

k dm

d

Φ

−

− Φ

δ cos

0

Khi mômen tải tăng do dòng qua các van lớn, làm góc chuyển mạch tăng theo, nên để an toàn cần phải tăng góc thông sớm min , điều này làm giảm sđđ bộ biến đổi và do đó làm giảm tốc độ cực đại cho phép

H.1.15 Đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu CL-Đ

III.2 Phương pháp xung áp

III.2.1 Xung áp mạch đơn

Biªn liªn tôc

giíi h¹n ϖ max

5π 6

α =

2

α = π

α = 0

Nguyên lí điều chỉnh xung áp (XA - Đ), loại A (bộ băm xung loại A).Trong đó điện áp và dòng điện động cơ uđ , iđ chỉ có giá trị dương Khi khoá S thông, ta có uđ =un; i = in

Khi khoá S ngắt, in = 0; uđ = 0 và i = id0

Do tác dụng duy trì dòng của điện cảm L Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng Uđ , I va do đó sđđ E của động cơ khi đóng và ngắt liên tục khóa S, sẽ được xác định nếu biết luật đóng, ngắt khoá và các thông số của mạch Nếu đóng ngắt khoá S với tấn số không đổi thì hoạt động của mạch tương tự như của chỉnh lưu một pha nửa chu kì.quá trình dòng điện và điện áp trong chế độ dòng liên tục : -UĐ + UL + UR + E = 0

L

E U i L

R dt

1 Tại thời điểm t = 0+, khoá S bắt đầu thông và UĐ = UN , i = Imin, nếu coi sđđ E không đổi trong một chu kì đóng ngắt của khoá S thì nghiệm của (*) là:

i = N e t T u I e t T u

R

E

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

−

min

1

0 < t <tđ

T = L/R: hằng số thời gian của mạch phần ứng

2 Tại thời điểm t = tđ khóa S bắt đầu ngắt

d u

d

T

t T

t

N e I e R

E

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ −

−

min

Lúc này uĐ = 0 do van D0 dẫn nên:

Tại t’ = 0+, i = Imax và nghiệm là :

R

max

'

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

Tại t’ = T - tđ

Nếu S thông liên tục tđ =T thì dòng điện trong mạch phần ứng sẽ không đổi và bằng

I = Imax = Imin =

R

E

U N −

L

E i L

R dt

di + = − '

Nếu thời gian thông của khoá S giảm đến một giá trị tới hạn nào đó

tđ = tđgh thì dòng điện Imin = 0 và hệ thống sẽ làm việc ở trạng thái biên giới chuyển từ chế độ dòng điện liên tục sang gián đoạn

III.2.2 Xung áp đảo chiều loại kép:

Với bộ biến đổi công suất trung bình ta dùng khoá điện tử là các bóng dẫn lưỡng cực IGBT Khi dùng van điều khiển IGBT có khả năng điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện phụ tải Trong các hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều động cơ, do đó bộ biến đổi xung áp dùng để cấp nguồn cho các động cơ một chiều kích từ độc lập cần đảo chiều quay, hoặc trong các cơ cấu nâng hạ băm xung để thay đổi tốc độ

Các van IGBT T1 dến T4 để khóa không tiếp điểm Các điôt đệm D0

đến D4 để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện hãm tái sinh

* Bộ biến đổi có 3 trạng thái làm việc:

Trạng thái 1: E > ED

Động cơ làm việc ở góc phần t thứ nhất Năng lượng cấp cho động

cơ được lấy từ nguồn thông qua van T1, T3 dẫn trong khoảng thời gian

từ 0 đến t1 Trong khoảng thời gian t1 đến T, năng lượng tích lũy trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện đi theo chiều cũ và khép mạch qua T3, D4 Dòng điện(H.) là đường nét liền

Trạng thái 2: E > ED

Động cơ làm việc ở góc phần t thứ 2 (hãm) Trong khoảng thời gian từ 0 đến t1, động cơ sẽ trả năng lượng về nguồn thông qua D1 và D3 ( ID1= ID3=It, It -đường nét đứt (H.)) Trong khoảng thời gian t1 đến

T, dòng tải khép mạch qua T4, D3 (I D3 = IT4 = I t) Dòng tải có dạng (H.)

Trạng thái 3: E = ED

/Trong khoảng thời gian 0 đến t0: E < ED động cơ hãm trả năng lượng về nguồn qua D1 và D3 (iD1 = iD3 = it)

/Trong khoảng thời gian t0 đến t1 E > ED động cơ chuyển sang làm việc ở chế độ động cơ Năng lượng từ nguồn qua T1 vàT3 được cấp cho động cơ (iT1 = iT3 = it)

/Trong khoảng thời gian t1 đến t2: T1 bị khoá, T4 mở: năng lượng tích luỹ trong điện cảm L sẽ cấp cho động cơ và duy trì dòng điện qua

D3 và D4 (iD3 = iD4 = it)

/Trong khoảng t2 đến T: khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết, sđđ của động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua

T và D (i = i = i) Quá trình này tạo ra tích luỹ năng lượng trong