1). Trình bày chức năng và nhiệm vụ chính của hệ thống truyền động điện.
2). Trình bày sơ đồ nguyên lý cấu trúc và phân tích các chức năng cơ bản của từng khâu trong một hệ thống truyền động điện.
3). Moment quán tính được hiểu như thế nào? Trình bày các công thức quy đổi các đại lượng (lực cản, moment cản, moment quán tính, ...) về trục động cơ.
4). Moment can được hình thành từ đâu? Cho một vài ví dụ về các cơ cấu có moment cần thế năng, moment cản phản kháng. Đặc điểm của moment cần thế năng thể hiện như thế nào trên
đồ thị theo tốc độ?
5). Phương trình chuyển động cho những thông tin gì về trạng thái làm việc của một hệ thống truyền động điện?
Giáo trình truyền động điện-THCN H1
Moment quán tính ở và khối quán tính m đặc trưng cho tính “ ì ” cùa một vật chuyển động quay tròn và chuyển động thẳng. Trong một hệ thống TĐĐ, các ‘phan tử chuyển động đều có moment quán tính (nếu là chuyển động quay) hoặc khối quán tính (nếu là chuyển động thẳng) và khi khảo sát tính toán cũng cần quy đổi chúng về trục động cơ.
Để tính quy đổi moment quán tính của tang quay #, trên trục quay Tạ thành moment quán tớnh quy đổi J„z trờn trục động cơ, ta tớnh động năng tớch lủy của tang quay:
2 Jy Oy
2
Và động năng tích lũy trên trục động cơ tương ứng với moment quy đổi J„„
đưa 9y 2
2 Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
J 4a Oy 2 dJ„.Đ,
Suy ra : đạa= —— (1.12)
1.4.4. Quy đổi khối quán tính của chuyển động tịnh tiến thành moment quần tính trên trục cộng cơ:
Trên hình (1.6) chuyển động tịnh tiến của khối zn tích lũy được một động năng:
my?
2
Ta có moment quán tính quy đổi tương ứng được suy từ định luật bảo toàn năng lượng:
J yg Oy _ mv?
2 2
Suy ra: đạa = mgr (1.13)
Tổng quát, với hệ TĐĐ được biểu diễn như trên hình 1.6 thì toàn bộ các moment quán tinh, khối quán tính được quy đổi về trục động cơ sẽ tạo ra 1 moment quán tính của toàn bộ hệ thống:
Giáo trình truyền động điện-THCN 10
Chương 1: Cơ sở động học của hệ thống truyền động điện
1.4.1. Quy đổi moment cần về trục động cơ:
Đối với cơ cấu trên hình 1.6, momeni cẩn M, trén tang quay cần phải được quy đối về trục động cơ, tức là cần xác định giá trị moment quy đổi tương ứng M,z đặt trên trục động cơ. Hay nói cách khác, giá tri moment quy d6i M,q vé trục động cơ là giá trị moment của động cơ cần có tại trục của nó để sau khi truyền qua hệ truyền lực tới tang quay phải có giá trị đủ lớn để thang moment can M..
Công do động cơ sinh ra truyền tới tang trống là:
Mya. Op. 7.t
Trong d6: 77 hiéu suat của cơ cấu truyền lực từ động co tới tang quay:
1} =7]. 1à 1.7)
Theo định luật bảo toàn năng lượng thì công này bằng công ở tang quay, tức là:
Mya. Opn. n. t= M..a7.t
Hay: Mg = si M, (N.m) (1.8)
„ — @)p
Với: t= (1.9)
Trong đó: ¡ là tỷ số truyền lực từ trục động cơ tới trục tang trống.
i= ip. ir. iz .. (1.10)
Vậy, động cơ muốn khắc phục được moment cẩn M, tại trục tang quay thì phải sinh ra một
moment Ä⁄„z trên trục của nó tính theo công thức (1.8)
1.4.2. Quy đổi lực cần của momemi tịnh tiến thành moment trên trục động cơ:
Đối với cơ cấu truyền động trên hình (1.6) khi tính quy đổi về trục động cơ lực #,. do vật chuyển động tịnh tiến gây ra với một tốc độ v. Công mà động cơ cần có được tính bởi công thức sau:
F..V.f
Vậy: Mụa.(@x. 11 =F,.v.1
Hay: có Mạ =<S“ — (Nm) E. (1.11)
: 7
Trong đú ứ là bỏn kớnh quy đổi của chuyển động tịnh tiến về trục động cơ.
1.4.3. Quy doi moment quan tinh vé trục động cơ
Giáo trình truyền động điện-THCN 9
Pp, Le
(a) (b)
Hinh 1.5: Cdéc loai moment can
(a) Moment can phan kháng; (b) Moment cản thế năng
1.4. Quy đổi các đại lượng về trục động cơ:
Một hệ thống truyền động điện có thể gồm nhiều bộ phận chuyển động, các bộ phận đó có thể có những hình thức chuyển động khác nhau theo những tốc độ chuyển động khác nhau.
Khi nghiên cứu về quá trình vận hành của hệ thong TDD, ta cần thành lập phương trình chuyển động của toàn bộ hệ thống. Các phương trình (1.3), (1.4) chỉ đúng khi toàn bộ các đại lượng đều được khảo sát ở cùng một thời điểm và tại cùng vị trí nhất định nào đó. Do đó ta phải tính toán quy đổi các đại luong luc can F,, moment cén M., moment quán tính J, khối
luong quan tinh m vé mét diém, thông thường là ứrục động cơ.
Nguyên tắc tính quy đổi dựa trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng, nghĩa là công suất hoặc động năng của hệ thống trước Và sau quy đổi phải bằng nhau.
Jp
| Jaa
D l1] —
ơ i Z-__ Se. Mya
Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý động học của một cơ cấu nâng-hạ
oO Giáo trình truyền động điện-THCN
Chương ù: Cơ sở động học của hệ thống truyền động điện
Quy tắc xét dấu moment phải tương ứng với chiều chuyển động, người ta QUY ưỚC các moment hướng cùng chiều quay của truyền động có giá trị dương, còn các moment hướng ngược chiều quay của truyền động sẽ có giá trị âm.
Đối với việc xét dấu tốc độ, người ta quy ƯỚC chiều chuyển động của động cơ là dương, bất chấp động cơ quay theo chiều nào. Và vì vậy:
* Moment của động cơ ở trạng thái động cơ sẽ mang dấu dương vì nó hướng theo chiều quay động cơ, còn ở trạng thái hãm là âm vì hướng ngược chiều quay động cơ.
Phương trình cân bằng công suất của một hệ TĐĐ là:
Pz=P. + ÁP
Trong đó: _Pz~ công suất điện cung cấp cho hệ TĐĐ P.. ~ công suất cơ mà hệ tiêu thụ
AP ~ tổn thất công suất
Quan hé giffa P. va Mp theo biểu thức sau:
P. = My .œ
* Moment của máy sản xuất hay moment cẩn có dấu tùy thuộc vào phân loại sau:
+ Moment can phản kháng luôn có chiều chống lại chuyển động do động cơ tiến hành.
Moment sẽ đảo chiều khi đổi chiều quay cúa động cơ.
Các moment loại này thường là moment ma sát, moment cắt ở các máy cắt gọt kim loại + Momem! cẩn thế năng luôn có chiều tác động không thay đổi khi động cơ đổi chiều
quay. Do vậy, nếu ở chiều quay này, moment cần thế năng gây cắn trở chuyển động thì
ở chiều quay ngược lại, nó sẽ hỗ trợ chuyển động.
Moment can thé nang chính là các trường hợp moment cẩn trong các cơ cấu nâng-hạ cần trục, cẩu trục, palăng...
` @
(ID) Trang thai ham & (1) Trang thai ding co
P.= Mn. a<0 P.= Mv. @<0
Mp Mp
P.= Ma. a@<0 @ ) P.= Ma. ứ<0 Cy
“A M “A )
œ0 Oo
(HD Trạng thái động cơ (IV) Trang thái hãm
Hình 1.4: Các trạng thái làm việc của động cơ điện trên các góc phân tư đặc tính cơ.
Giáo trình truyền động điện-THCN 7
Ma~ M.=M,=J2= J. (1.4)
Trong đó:
M„: moment cần do cơ cấu sẵn xuất tác dụng lên hệ théng (N.m)
=.. My: moment do động cơ điện tạo ra (N.m)
= M,; moment tao ra gia t6c géc cho chuyén dong (N.m) jJ : moment quán tính của hệ truyền động quay (N.m)
a ¢€ = oe : gia tốc góc của hệ thống (ad/⁄32)
Các phương trình (1.3) và (1.4) là các phương trình cơ bản của hệ chuyển động tịnh tiến và của hệ chuyển động quay.
Tốc độ quay khi tính theo đơn vị (v/p) la n và khi theo tinh don vi (rad/s) 1a @ duoc biéu
dién theo quan hé sau:
@= 277—= n _ (rad/s) (1.5)
1 dn Vi vậy (1.4) trở thành: M,=J.se= ————
9.55 dt (1.6)
-_ Từ các phương trình (1.3) và (1.4) ta thấy:
Khi a= *% >0 nghia la: Fz > F.
dt Hệ thống đang tăng tốc
Hoặc £ = = >0_ nghĩa là: M; > 3/,.
Hệ thống đang giảm tốc
Hoặc ¢ = = <0_ nghĩa là: Mạ< M.
Khi a= a <0 nghia la: Fy < FP. } at
Khi a= av =0 nghĩa là: Fy = F.. „ >
dt Hệ thống làm việc ổn định
- 32 —o Hoặc £ = ——=
dt nghĩa là: M:= Af,
Trong Tag hop nay, hé sé chuyển động đều hoặc quay đểu 1.3.3. Xét déu moment:
Tùy thuộc vào quá trình chuyển hóa và tiêu thụ năng lượng trong hệ thống TĐĐ mà một động cơ tại bất kỳ thời điểm nào, luôn chỉ có thể tổn tại ở một trong hai trạng thái làm việc
là Trạng thái động cơ hoặc Trạng thái hãm (trạng thái máy phát!)
Giáo trình truyền động điện-THCN 6
Chương 1: Cơ sở động học của hệ thống truyền động điện
oO A o
&
Mc > Mf => Mf
0 0 Me
(a) Dạng đặc tính cơ của máy sản (b) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính thế năng xuất có tính phần kháng.
Hình 1.3: Đồ thị biểu diễn các đặc tính cơ có tính thế năng và phần kháng 1.3. Phương (rình chuyển động của hệ thống TĐĐ:
Khi nghiên cứu sự làm việc của hệ thống TĐĐ, ta thường chú ý đến ba yếu tố:
a Lue hay Moment: (F, M)
đ Tộc d6 chuyộn dộng: (ứ).
Thời gian chuyển động: (0).
Chuyển động của một hệ thống TĐĐ thông thường chỉ gồm hai loại: Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.
1.3.1. Hệ thống chuyển động tịnh tiến:
Trong hệ thống chuyển đông tịnh tiến, thông thường vật chuyển động có khối lượng không đổi hoặc được xem như không đổi (vì lượng thay đổi là nhỏ so với khối lượng toàn bộ phần chuyển động), nên theo định luật IT Newton, ta c6 phương trình của chuyển động tịnh tiến:
Fạ— F,= Fy = ma = m. (1.3)
dt Trong đó :
5 Ƒ,,: lực cản chuyển động của cơ cấu sản xuất (N)
=a: lực phát động do động cơ điện sinh ra (N)
#4: lực tạo ra gia tốc cho chuyển động (N)
m: khối lượng quán tính của vật chuyển động (kg)
a= = : gia tốc chuyển động (m/s”)
1.3.2. Hệ thống chuyển động quay:
Trong hệ thống chuyển động quay, nếu cũng xem moment quán tính là không đổi thì tương tự, áp dụng định luật H_ Newton, ta cũng có:
Giáo trình truyền động điện-THCN
5
2. Các dạng đặc biệt của đặc tính cơ:
Từ phương trình tống quát của đặc tính cơ của máy sản xuất (hay đặc tính cơ phụ iải):
` va M. = Moo + (Mam — co) (——)
OD gn,
Ta c6 cac trudng hop sau:
= c= 0: Phuong trinh (1.1) trd thanh:
M a= M cẩm
Đặc tính cơ là đường (1) trên hình 1.2. Đó là đặc tính cơ của các cơ cấu nâng-hạ các tải trọng lượng, các băng tải khi khối lượng di chuyển không thay đổi trong suốt quá trình
truyền động, cơ cấu ăn dao của máy cắt gọt kim loại,.. Trường hợp này moment cần không
phụ thuộc vào tốc độ.
œ = 1: phương trình (1.1) trở thành :
Đặc tính cơ là đường (2), đây chính là đặc tính cơ của máy phát điện một chiểu với tải thuân trở. Trường hợp này moment cần tỉ lệ bậc nhất với tốc độ.
5= ứ= 2: phương trỡnh (1.1) trở thành:
Đặc tính cơ là đường (3), là đặc tính cơ của các máy bơm ly tâm, máy quạt gió,... Trường hợp này moment cần tỉ lệ bac hai v6i moment téc dé.
œ = -]1: phương trình (1.1) trở thành:
—(M cam — Mc am
M. = +M oo
@
Đặc tính cơ là đường (4), đây là đặc tính cơ của cơ cấu các máy cuốn dây, cuộn giấy, truyền động quay trục chính của các máy cắt gọt kim loại,... Moment cắn ở đây tỉ lệ nghịch với tốc độ.
Đặc tính moment của phụ tải được phân biệt thành hai loại: Đặc tính của moment cản phản khang (moment can thụ động) và đặc tính của moment cản thế năng (moment cẩn tích cực).
a Moment can thé ndng khéng phụ thuộc vào chiểu quay như các tác động của tải tạo ra từ lực đàn hồi của các lò xo,...
". Moment cản phản kháng luôn luôn chống lại chiều quay như moment ma sát, moment của cơ cấu ăn đao trong các máy cắt gọt kim loại ...
Giáo trình truyền động điện-THCN 4
Chương 1: Cơ sở động học của hệ thống truyền động điện
5 Truyền động không điêu chỉnh: Động cơ truyền động được nối trực tiếp với nguồn điện và làm việc với một tốc độ nhất định. Các thông số điện của hệ thống chỉ bị thay đổi do ảnh hướng của các nhiễu loạn bên ngoài.
5 Truyền động có điều chỉnh: Các thông số điện của hệ thống có thể được thay đổi nhờ các thiết bị điều khiến. Tùy theo từng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất mà có truyền động điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh vị trí, điều chỉnh lực hoặc moment.
1.2. Các khái niệm cơ bản về đặc tính cơ của máy sản xuất:
1.2.1. Đặc tính cơ của máy sẵn xuất:
Đặc tính cơ của máy sản xuất hay đặc tính cơ của phụ tải là quan hệ giữa moment của phụ tải với tốc độ quay. Theo các kết quả thực nghiệm, đặc tính cơ của phụ tải được biểu diễn dưới dạng phương trình tổng quát sau:
Me = Meo + (Metm — Me) (—2-)* (1.1)
dm
Trong đó:
M. : Moment cẩn ứng với tốc độ ứ. (Con gọi là moment phụ tải).
Mí.. : Moment cản ứng với tốc độ w = 0.
® Man: Moment cần (định mức) ứng với tốc độ @ = Bim.
°, œ : Hệ số làm việc phụ thuộc vào tính chất của từng loại máy sản xuất.
1.2.2. Các dạng đặc biệt của đặc tinh cơ của máy sẵn xuất:
1. Đồ thị đặc tính cơ của máy sẵn xuất:
LOR q)
\ (2)
\
ẹ
N N
(3)
cam
(4)
So ỸỲ `
Mco Mcam
Hình 1.2: Đồ thị biểu diễn các đặc tính cơ của máy sản xuất
Giáo trình truyền động điện-THCN
3
* Động cơ điện: Dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng (chế độ động cơ) hay cơ năng thành điện năng (chế độ máy phát khi thực hiện các trạng thái hãm điện)
* Máy sẵn xuất hay cơ cấu chấp hành: Dùng để thực hiện các quy trình sẵn xuất cụ thể cũng như các yêu cầu công nghệ nhất định.
1.1.3. Phân loại hệ thống TĐD:
Các hệ thống TĐĐ được phân loại theo nhiều hình thức khác nhau:
1. Theo số lượng động cơ truyền động:
Truyễền động nhóm : Là hệ truyền động trong đó chỉ gồm một động cơ kéo một nhóm gồm nhiều máy sản xuất.
a Truyén động don động cơ: “Trong hệ thống TĐĐ này, một động cơ điện kéo toàn bộ hệ truyền động của một máy sản xuất. Các chuyển động phức tạp khác nhau trong máy đều lấy từ động cơ duy nhất đó thông qua các kết cấu cơ khí tương thích.
a Truyên động đa động cơ: Là hệ thống mà trong đó mỗi chuyển động riêng biệt của một máy sản xuất (lớn) là do một động cơ riêng biệt nhất định thực hiện.
2. Theo đặc điểm của chuyển động truyền động:
"= Truyền động quay: Việc truyền động trong hệ thống được thực hiện dưới dạng các chuyển động quay tròn, có hoặc không có các trạng thái thay đổi chiều quay của động cơ.
a Truyền động thẳng: Việc truyền động trong hệ thống được thực hiện đưới dạng các chuyển động thẳng, tịnh tiến, qua lại, chuyển động trượt...
3. Theo chế độ làm việc của hệ thống:
=. Chế độ làm việc liên tục: Hệ thống truyền động điện vận hành liên tục trong thời gian lâu
dài
". Chế độ làm việc gián đoạn: Hệ thống truyền động điện làm việc trong những khoảng thời gian ngắn hạn, gián đoạn, có thể lặp lại hoặc không lặp lại.
4. Theo phân loại nguồn điện cung cấp:
2 Truyén động điện xoay chiều: Nguồn năng lượng cung cấp cho toàn bộ hệ thống truyén động điện là nguồn điện xoay chiéu và việc truyền động điện được thực hiện bằng các động cơ điện xoay chiều.
=" Truyền động điện một chiều: Nguồn năng lượng cung cấp cho toàn bộ hệ thống truyền động là nguồn một chiểu và việc truyền động điện được thực hiện bằng các động cơ điện một chiều. Loại này còn được phân ra 2 loại hình dựa theo thiết bị biến đổi nguồn như sau:
* Hệ Máy phát - Động cơ (F-Ð): Động cơ điện một chiều được cấp nguồn từ một máy
phát điện một chiều.
* Hệ Chỉnh lưu - Động cơ (CL-Đ): Động cơ điện một chiều được cấp nguồn một chiều thông qua một bộ chỉnh lưu từ lưới xoay chiều.
5. Theo đặc tính thay đổi các thông số điện của hệ thống:
Giáo trình truyền động điện-THCN 2
Chuong I: Co sé déng hoc ctia hé thong truyén déng dién
CHUONG 1