Truyền động điện - Chương I: Những khái niệm cơ bản

CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢNSvth: Võ Lê Vân AnhTRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN1.4Hệ thống truyền động điện và các phần tử1.11.21.31.5Động học trong hệ thống động cơ - tảiHệ thống bộ biến đổi – động cơĐiều khiển tốc độ truyền động điệnBài tập ví dụNỘI DUNG1.1 Hệ thống truyền động điện và các phần tử - Một số định nghĩa:Hệ thống truyền động điện là hệ thống máy móc có nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành điện năng và gồm cả khả năng điều khiển bằng điện.Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền động điệnQuan hệ giữa tốc độ và mômen của tải gọi là đặc tính cơ của tải.Quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ.Quan hệ giữa tốc độ và dòng điện của động cơ là đặc tính cơ điện.Hình 1.2: Các dạng đặc tính cơ của động cơa) Động cơ DC kích từ độc lập; b)Động cơ không đồng bộ; c)Động cơ đồng bộTa có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ nếu động cơ được vận hành ở chế độ định mức. Vd: đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ nhận được khi động cơ được cung cấp điện áp và tần số định mức.Lựa chọn hệ thống TĐĐ thích hợp cho ứng dụng nào đó:+ Đặc tính cơ tải phải khảo sát kĩ lưỡng+ Động cơ lựa chọn phải thỏa mãn yêu cầu về mômen và tốc độ của tải.+Dòng điện động cơ không vượt quá giới hạn cho phép của động cơ và của nguồn. Bộ biến đổi giữ nhiệm vụ điều khiển dòng công suất từ nguồn đến động cơ sao cho đặc tính cơ và đặc tính tốc độ dòng điện của động cơ tương hợp yêu cầu của tải.1.2 Động học của hệ thống động cơ – tải:1.2.1 Phương trình mômen cơ bản:- Chuyển động của động cơ thường là chuyển động quay, của tải thường là chuyển động tịnh tiến.J – Mômen quán tính của toàn bộ hệ thống động cơ – tải quy đổi về trục động cơ, kg-m2 ; - Tốc độ góc của động cơ, rad/s;M – Mômen do động cơ sinh ra, Nm;Mc – Mômen cản quy đổi về trục động cơ, Nm.Phương trình động học của hệ truyền động tổng quát có dạng:(1.1)Khi M > MC hệ thống ở chế độ tăng tốc. Động cơ không chỉ cung cấp mô men đưa ra tải mà còn cung cấp cả thành phần mômen động để tạo gia tốc cho hệ truyền động điện.Khi M Mômen cản Mc có thể biểu diễn như sau:Từ (1.1)1.2.3 Một số đặc tính tải thường gặp:Hình 1.6: Đặc tính cơ một số tải thường gặpa) Quạt gió – Bơm ly tâm; b) Xe điện(không tính tác động của trọng lực); c) Máy cuộn; d) Máy xúc; e) Máy nâng hạ; f) Máy công cụ1.2.4 Phân loại mômen tải:1- Mômen tải có tính thế năng: Mômen này không đổi dấu khi chiều chuyển động thay đổi.2- Mômen tải có tính phản kháng: Luôn chống lại chuyển động và thay đổi dấu khi chiều chuyển động thay đổi.Tính quy đổi mômen hoặc lực của bộ phận làm việc về trục động cơNguyên tắc quy đổi: Dựa vào sự cân bằng công suất trong phần cơ của truyền động.Chuyến động quay:1.2.5 Khâu cơ khí quy đổi của truyền động điện:MLV – mômen phụ tải trên bộ phận làm việc - tốc độ góc bộ phận làm việc - hiệu suất cơ cấu truyền độngi - tỉ số truyền, Chuyển động thẳngFLV – lực phụ tải trên bộ phận làm việc; - bán kính quy đổi lực phụ tải về trục động cơ, Tính quy đổi mômen quán tínhQuy đổi khối lượng quán tính hoặc mômen quán tính là thay thế các khâu này bằng một mômen quán tính J trên trục động cơ có giá trị tương đường.Nguyên tắc quy đổi: Bảo toàn động năng tích lũy của hệ thống.Jm - mômen quán tính động cơ;Ji - mômen quán tính của phần tử quay thứ i;mj - khối lượng của phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j;ii – tỉ số tốc độ từ trục động cơ đến phần tử quay thứ i; - bán kính quy đổi tốc độ từ phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j đến trục động cơ.1.2.6 Trạng thái làm việc của truyền động điện: Quy ước chiều của tốc độ và mômen:Hệ thống chỉ hoạt động theo một chiều, chiều thuận là chiều quay bình thường.Hệ thống có đảo chiều, chiều thuận được chọn tự do.Khi đó:Tốc độ động cơ là dương nếu động cơ quay theo chiều thuận.Tốc độ động cơ là âm nếu động cơ quay theo chiều ngược lại.Mômen:Mômen dấu dương khi mômen gia tốc động cơ theo chiều thuận.Mômen âm sẽ giảm tốc độ động cơ theo chiều thuận, gia tốc động cơ theo chiều nghịch.Chế độ động cơ: động cơ biến điện năng thành cơ năng đưa ra tải. Pcơ > 0.Chế độ hãm: động cơ hoạt động như một máy phát, biến cơ năng của tải thành điện năng. Pcơ 0, Pcơ Sự ổn định của điểm làm việc phụ thuộc không chỉ vào đặc tính động cơ, mà còn phụ thuộc vào đặc tính tải.1.3 Hệ thống bộ biến đổi – Động cơSTTLoại BBĐChức năngỨng dụng1Chỉnh lưu có điều khiểnBiến đổi nguồn AC thành nguồn DC thay đổi đượcĐiều khiển động cơ DC, động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ2Chopper (Bộ biến đổi xung áp)Biến đổi nguồn DC cố định thành nguồn DC thay đổi đượcĐiều khiển động cơ DC, động cơ không đồng bộ3Bộ biến đổi điện áp xoay chiềuBiến đổi nguồn AC cố định thành nguồn AC thay đổi được, giữ nguyên tần sốĐiều khiển động cơ không đồng bộ4Bộ nghịch lưu (inverter) (nguồn dòng hoặc nguồn áp)Biến đổi nguồn DC thành nguồn áp hoặc nguồn dòng AC có điện áp/ tần số cố định hoặc thay đổi được.Điều khiển động cơ đồng bộ và không đồng bộ5CycloconverterBiến đổi nguồn AC cố định thành nguồn AC có điện áp và tần số thay đổi đượcĐiều khiển động cơ đồng bộ và không đồng bộ1.2. Định mức động cơ và BBĐ:Quá trình quá độ của động cơ có thể chấp nhận dòng động cơ lớn hơn dòng định mức do khả năng chịu nhiệt của động cơ cao.Sử dụng dòng quá độ cao giúp động cơ đáp ứng nhanh và dễ vượt qua các quá tải ngắn hạn.BBĐ thường sử dụng linh kiện bán dẫn công suất. Các linh kiện này thường bị giới hạn về mặt quá tải dòng.Nếu hệ TĐĐ cần sử dụng dòng quá tải lớn, phải chọn bộ biến đổi có công suất lớn hơn so với động cơ.Các BBĐ hiện đại thường có cả tính năng bảo vệ quá tải, thông qua việc giới hạn dòng quá tải cho phép.Khi không cần đáp ứng nhanh, chọn định mức dòng hệ thống nên giới hạn mức dòng định mức động cơ. Hình 1.10: Các giới hạn của đặc tính cơ hệ thống BBĐ-ĐC điển hình3. Sóng hài và hệ số công suất:Sóng hài không sinh ra công suất hữu ích, làm gia tăng tổn thất (lõi, dây quấn).Sóng hài dòng làm tăng giá trị hiệu dụng của dòng động cơ, méo dạng từ thông động cơSử dụng BBĐ bán dẫn, động cơ phải giảm định mức, tải động cơ nhỏ hơn định mức.- BBĐ dung bán dẫn công suất gây song hài dòng tại ngõ vào, gây biến dạng, trồi sụt điện áp lưới, ảnh hưởng tải trên lưới.1.4 Điều khiển tốc độ truyền động điện:1- Các thông số đánh giá chất lượng:Độ cứng đặc tính cơ: lớn, đặc tính cơ cứng. nhỏ, đặc tính cơ mềmĐộ ổn định tốc độ: Đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt, xác định bởi công thức:- Tốc độ đặt- Tốc độ thựcĐộ trơn điều chỉnh tốc độ:lần lượt là các giá trị tốc độ xác lập ổn định ở cấp thứ i, i+1.Phân loại:Hệ TĐĐ là vô cấp nếu , nghĩa là hệ làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh tốc độ.Hệ TĐĐ là có cấp khi hệ chỉ có thể làm việc ổn định tại một số giá trị của tốc độ trong dải điều chỉnh tốc độ.Dải điều chỉnh tốc độ: Tỉ số giữa tốc độ lớn nhất và giá trị tốc độ nhỏ nhất khi điều chỉnh. bị hạn chế bởi độ bền cơ khí và cấu tạo của động cơ. bị hạn chế bởi yêu cầu về mômen khởi động, khả năng quá tải và sai số tốc độ cho phép.Độ cứng đặc tính cơ ảnh hưởng lớn đến dải điều chỉnh tốc độ.Dải điều chỉnh tốc độ càng cao, độ cứng đặc tính cơ càng lớn.2- Chuyển trạng thái làm việc khi điều khiển tốc độ:Hình 1.11: Chuyển trạng thái làm việc khi điều khiển tốc độ1- H.1.11a. Giảm tốc (cùng chiều quay).2- H.1.11b. Đảo chiều quay.3- H.1.11c. Tăng tốc (cùng chiều quay).Hình 1.12: Giảm tốc khi hệ thống chỉ làm việc trên phần tư IMômen động cơ chỉ có thể giảm xuống nhỏ nhất là zero. Khi đó, sự chuyển trạng thái của điểm làm việc khi giảm tốc diễn ra như hình.1.5 Bài tập ví dụ:Một hệ thống truyền động có mômen tải quy đổi về trục động cơ Mc = 10Nm, mômen quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ và mômen quán tính của động cơ là J=0,05kgm2.Giả thiết cần có quan hệ tốc độ của động cơ và thời gian t như hình 1.4a. Hãy tín quan hệ mômen động cơ và thời gian cần thiết để đạt được sự biến thiên tốc độ như yêu cầu.a) Quan hệ theo yêu cầu; b) Quan hệ M(t) cần thiếtGiải:Theo công thức (1.1):Trong vùng biến thiên tuyến tính của tốc độ như hình a), gia tốc động cơ là:Trong cùng tốc độ ổn định:Suy ra: 1884.0,05+10 = 104,2Nm, với 0+10 = 10Nm -1884.0,05+10 = -84,2NmM =Quan hệ M(t) cần thiết như hình b).Về mặt lí thuyết, sự biến thiên đột ngột của mômen M theo thời gian như hình b) là không thể có nếu nguồn cung cấp có công suất hữu hạn như trong thực tế thường gặp. Tuy nhiên, yêu cầu điều khiển mômen biến thiên nhanh, như ví dụ nêu ra, là cần thiết Những bộ biến đổi dùng bán dẫn công suất hiện nay, từ cỡ nhỏ (1kW) đến cỡ trung (vài trăm kW), cho phép điều khiển mômen động cơ biến thiên từ 0 đến định mức trong vòng 1-5ms; trong đó, tốc độ điều chỉnh mômen càng nhanh nếu công suất định mức của bộ biến đổi càng nhỏ.CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG NGHE