Bài giảng Chương 1: Các khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động điện

ặc tính cơ và phương trình của nó. 3.1.3. Các chỉ tiêu chất lượng : 3.1.3.1. Chỉ tiêu chất lượng động (chế độ quá độ): * Độ quá điều chỉnh max (max  40% hoặc có thể nhỏ hơn). * Thời gian quá độ Tqđ (Tqđ càng nhỏ càng tốt). * số lần dao động n ( n = 23 là tốt). 3.1.3.2. Chỉ tiêu chất lượng tĩnh (chế độ xác lập): * Sai số tĩnh tốc độ s% : Là đại lượng đặc trưng cho sự chính xác duy trì tốc độ đặt đ: %%100.%       d ds  tốc độ làm việc thực của động cơ. đ tốc độ đặt của động cơ.  độ sụt tốc độ khi mômen tải thay đổi Mc = 0 → Mđm. Sai số này càng nhỏ, điều chỉnh càng chính xác, và lí tưởng ta có hệ điều chỉnh tuyệt đối chính xác khi s% = 0. Thực tế người ta phải thiết kế các hệ truyền động diều chỉnh có độ chính xác đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, như truyền động chính của máy cắt gọt kim loại yêu cầu s% ≤ 10%, tryuền động ăn dao: s% ≤ 5%, - 57 - * Phạm vi điều chỉnh tốc độ D: min max   D D càng lớn càng tốt. Tuy nhiên giá trị max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ, bởi điều kiện chuyển mạch. Tốc độ min bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động, về khả năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép. * Độ trơn điều chỉnh tốc độ J: Là sự chênh lệch giữa 2 cấp tốc độ liền nhau: i 1i     Trong đó: i - là tốc độ ổn định đạt được ở cấp i. i+1- là tốc độ ổn định đạt được ở cấp kế tiếp (i+1). Hệ số  càng nhỏ càng tốt lý tưởng là 1: đó là hệ điều chỉnh vô cấp. Còn hệ điều chỉnh có cấp nếu: .1 * Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải: Với các động cơ thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ. Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần lưu ý đến các chỉ tiêu như: dòng điện động cơ không vượt quá dòng định mức của nó, đảm bảo khả năng quá tải về mômen (trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảo yêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễu v.v... trong toàn giải điều chỉnh. Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ, người ta thường chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh, sao cho đặc tính điều chỉnh của hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải. Nếu đảm bảo được điều kiện này thì tổn thất trong quá trình điều chỉnh sẽ nhỏ nhất. * Chỉ tiêu kinh tế: Nhiều trường hợp, chỉ tiêu kinh tế là chỉ tiêu quyết định sự lựa chọn phương án truyền động. Hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ cần đạt có vốn đầu tư thấp, giá thành hạ, chi phí vận hành, bảo quản, sửa chữa ít, đặc biệt là tổn thất năng lượng khi điều chỉnh và vận hành nhỏ. Năng suất của máy sản xuất do hệ điều chỉnh mang lại. Việc tính toán cụ thể các chỉ tiêu liên quan nêu trên sẽ cho thấy hiệu quả kinh tế, thời gian hoàn vốn và lợi ích nhờ việc sử dụng hệ điều chỉnh đã chọn. Thường người ta căn cứ các chỉ tiêu kỹ thuật để đề xuất vài phương án điều chỉnh, sau đó tính toán kinh tế để so sánh hiệu quả và quyết định chọn hệ thống hoặc phương pháp điều chỉnh thông số đầu ra của động cơ. - 58 - 3.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều : 3.2.1. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng của động cơ: Muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ biến đổi (hình 3.1): a) b) Hình 3.1: a) Sơ đồ khối. b) Sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập. Các bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện: dùng máy phát điện một chiều (F), máy điện khuếch đại (MĐKĐ); Bộ biến đổi từ: khuếch đại từ (KĐT) một pha, ba pha; Bộ biến đổi điện tử - bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng tiristor, các bộ băm điện áp (BĐA) dùng tiristor, transistor, Đặc tính của hệ thống: Eư = Eb - (Rb + Rưđ)Iư. (3.1) u udbb I K RR K E     (3.2)   M U dk  )(0 (3.3) Xác định dải điều chỉnh: (3.4) 0max, Mđm, KM là xác định nên D phụ thuộc tuyến tính vào . Sơ bộ ta có: dmM  .max0  10 Ta thấy khi điều chỉnh Uư thì  = const do đó độ sụt tốc độ sẽ lớn nhất ở đặc tính thấp nhất. Như vậy nếu đảm bảo sai số tốc độ tại đặc tính thấp nhất kh ông vượt quá giá trị cho phép thì HTĐ luôn làm việc đạt yêu cầu: Sai số tương đối: - 59 - (3.5) (3.6) Mđm, 0min, scp, là xác định nên xác định giá trị tối thiểu  s scp. Ví dụ : Cho ĐMđl có các thông số: Pđm = 29KW; Uđm = 220V; Iđm = 151A; nđm = 1000vg/ph; Rư = 0,07; và hệ số quá tảI Kqt = 2. Hãy xác định tốc độ cực tiểu và dải điều chỉnh theo khả năng quá tải yêu cầu ? Giải: Điện trở định mức của động cơ: Rđm = Uđm / Iđm = 220V / 151A = 1,45 Giá trị tương đương của điện trở phần ứng: Rư* = Rư / Rđm = 0,07 /1,45 = 0,048 Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: tn* = 1/Rư* = 20,8 Độ cứng đặc tính cơ thấp nhất: min* = Kqt = 2 Giá trị tương đối của tốc độ cực đại (tức tốc độ định mức của động cơ) sẽ là: nmax*=ωmax= 0952,0048,011 1 1 * 00  u dmdm R n n   Tốc độ không tải lý tưởng: n0= phvg phvg n ndm /1050 0952,0 /1000 max*  Giá trị tương đối của tốc độ cực tiểu: nmin*=ωmin= 5,0 2 1 1 1 1 min   Vậy tốc độ quay cực tiểu của động cơ là: nmin=nmin*.n0=0,5.1050vg/ph=525vg/ph Từ giá trị của tốc độ cực đại và tốc độ cực tiểu, ta rút ra phạm vi điều chỉnh tốc độ: D= 9,1 525 1000 min max  n n Từ biểu thức thay *min = Kqt = 2; *tn = 20,8; ta cũng được kết quả D = 1,9. Qua ví dụ trên ta thấy phạm vi điều chỉnh như vậy là rất hep. Tuy nhiên, nếu xét theo yêu cầu về sai số tốc độ cho phép thì dảI điều chỉnh còn hẹp hơn nữa hoặc thậm chí còn không thể điều chỉnh được tốc độ. Thực vậy, ta biết: - 60 - s% = * = Ru* min = 0 - cp ; và *min = 1 - s% = 1 - R*ư Nếu s%cp = 10% thì D = 1,05 ≈ 1, nghĩa là hầu như không thể điều chỉnh được. 3.2.2. Phương pháp thay đổi từ thông kích từ của động cơ: Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát ta thấy rằng khi thay đổi  thì 0 và  đều thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (độ cứng  càng nhỏ) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi  càng giảm, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi từ thông  giảm Như vậy: đm> 1 > 2 >... thì đm < 1 < 2 <..., nhưng nếu giảm  quá nhỏ thì có thể làm cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép, hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao, hoặc để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải. a) b) Hình 3.2: a) Sơ đồ thay thế. b) Đặc tính điều chỉnh khi từ thông thay đổi. Mạch kích từ của động cơ là phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông là phi tuyến: dt d w rr e i K Kb K K  .   (3.7) ở chế độ xác lập: Kb K K rr e i   ;  = f(iK) (3.8) 3.2.3. Phương pháp thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng: Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: M K RR K U f 2)(     (3.9) Ta thấy rằng khi thay đổi Rf thì 0 = const còn  thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng 0 và dốc dần khi Rf càng lớn, với tải như nhau thì tốc độ càng thấp. - 61 - Như vậy: 0 1 > 2 > ... , nhưng nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M  Mc và như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch,  = 0. Từ lúc này, ta có thay đổi Rf thì tốc độ vẫn bằng không, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do đó phương pháp điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để. 3.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ : Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các động cơ khác. Thường dùng bốn hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB sau: Thứ nhất: Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thysistor. Thứ hai: Điều chỉnh điện trở rôto bằng bộ biến đổi xung thysistor. Thứ ba: Điều chỉnh công suất trượt P5. Thứ tư: Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động sơ bằng các bộ biến đổi tần số thysistor hay transistor. Đây là các phương pháp thường sử dụng nhiều trong công nghiệp hiện nay. Ta nghiên cứu cấu trúc, đặc tính của các hệ truyền động này. 3.3.1. Điều chỉnh điện áp Stator động cơ : Như ta đã biết momen động cơ không động bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số. - 62 - Hình 3.3: Điểu chỉnh điện áp động cơ. Để điều chỉnh được điên áp động cơ không đồng bộ ba pha ta phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐA XC). Nếu coi ĐA XC là nguồn áp lý tưởng (zb=0) thì căn cứ vào biểu thức có quan hệ sau: 2. )( dm b th uth U U M M  ,hay 2 ** , )( bth UuM  (3.10) Công thức (1) đúng với mọi điện áp và mômen. Nếu tốc độ quay của động cơ là không đổi: gh ubu M M MconstUM 1 2** ,,   (3.11) Trong đó: Mđm: Điện áp định mức của động cơ Ub: Điện áp đầu ra của ĐAXC Mth: Mômen tới hạn khi điện áp là định mức Mu : Mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh Mgh : Mômen khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rf Vì giá trị độ trượt tới hạn Sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ, nên nói chung không áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ roto lồng sóc. Khi thực hiện điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto dây quấn cân nối them điện trở phụ vào mạch roto để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và momen. (như thấy trên hình vẽ trên), tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ, trong khi mọi đó tốc độ không tải lý tưởng của mọi đặc tính đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay. Theo lập luận thì tổn thất khi điều chỉnh là: s s PMP cocr   1 )( '21  Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng gần đúng: xdmc x dmc dmcc MMM ).()( 1 . . .      (3.12) Thì tổn thất trong mạch roto khi điều chỉnh là: ).1(.).( 1 .1 1 .       xdmcr MP (3.13) Tổn thất là cực đại khi  = 0: Pmax = Mcđm.1 = Pđm Như vậy tương đối trong mạch rôto là: )1.()( )1.()( . *** 111          x r x cdm r P M P (3.14) - 63 - Quan hệ này được mô tả bởi đồ thị sau: Hình 3.4: Quan hệ tổn thất rôto và tốc độ điều chỉnh. Sự phụ thuộc giữa tổn thất roto và tốc độ điều chỉnh ứng với từng loại phụ tải có tính chất khác nhau, phương pháp điều chỉnh điện áp thích hợp với tuyền động mà momen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly tâm. Có thể dùng may biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm ĐAXC, trong đó vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van ban dẫn là phổ biến hơn cả. Momen của động cơ không đông bộ có thể được tính theo dòng điện rôto s RI M rr . .3 1 2   (3.15) Nếu giữ dòng rôto không đổi: Ir = const thì mômen và độ trượt có quan hệ sau: M.s = const. (3.16) Vùng điều chỉnh tốc độ và momen khi điều chỉnh điện áp bị giới hạn bởi các trục tạo độ và các đường cong: s RI sM rr . .3 . 1 2   (3.17) Độ rộng của vùng này tuỳ thuộc vào giá trị của điện trở phụ Rf. Do cách nối các van bán dẫn nên để có dòng chạy qua động cơ thì tại một thời điểm phải co ít nhất hai van ở hai pha khác nhau cùng dẫn điện. Đông cơ không đồng bộ ba pha co thể coi là phụ tải ba pha gồm điện cảm và điện trở nối tiếp nhau . - 64 - H×nh 3.5: §iÒu chØnh ®iÖn ¸p §C K§B. a) S¬ ®å. b) D¹ng ®Æc tÝnh. Trong đó điên trở roto biến thiên theo tốc độ quay R=R(s) và điện cảm phụ thuộc vào vi trí tương đối giữa dây quấn rôto và dây quấn stato, do đó góc pha giữa dòng điện và điện áp cũng sẽ biến thiên theo tcs độ quay: =(s) Ví dụ trạng thái dẫn của các van bán dẫn: dt,tn 0 M S=0 Ir=Ir®m  b> Dạng đặc tính cơ M a> Sơ đồ cơ bản LOG FX a b c T1 T2 T3 T4 T5 T6 Uđ k U đ Đảo chiều Ub=Uđk Rf U - 65 - Hình 3.6: VD trạng thái van dẫn Do tính chất phức tạp của quan hệ giữa mômen, điện áp và tốc độ của động cơ không đồng bộ nên trong tính toán thực dụng thường dùng phương pháp đồ thị để dựng các đặc tính điều chỉnh trên hình 3.7. Dựng đặc tính (s) của động cơ ở góc dưới bên trái, đặc tính này có thể dựng được khi sử dụng sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ. Dựng đặc tính cơ tự nhiên (đường nét đứt) và đặc tính cơ các điện trở phụ ở góc trên bên phải theo các bước như đã hướng dẫn phần mô tả đặc tính cơ. Sử dụng đặc tính v2(,),(s), đặc tính MSvà công thức H×nh 3.7: §Æc tÝnh ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p - - 66 - M= H.v 2 ; S = cost. Ta dựng được họ đặc tính co điều chỉnh khi  lấy các giá trị khác nhau. Vì đặc tính cơ của hệ hở là rất dốc nên thường dùng phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ làm việc và mở rộng dải điều chỉnh (H5.3b) trên (H 5.7) là các đặc tính thực nghiệm của một hệ điều chỉnh như vậy. Hình 3.8: Đặc tính cơ có phản hồi âm tốc độ (ĐK 3kW) 3.3.2. Điều chỉnh điện trở mạch rotor bằng bộ biến đổi xung thysistor. Như đã phân tích ở phân ở phần đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha, có thể điều chỉnh tốc độ của động cơbằng cách điều chỉnh điện trở mạch rotor, trong mục này khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trên điện trở mạch rotor bằng các van bán dẫn, ưu thế của phương pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Điện trở trong mạch rotor động cơ không đồng bộ: Rr = Rrd + Rf Trong đó: Rrd - là điện trở dây quấn rotor . Rf - là điện trở ngoài mắc vào mạch rotor. Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rotor thì mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trượt tới hạn thì tỉ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ , tức là đoạn có độ trượt trở S=0 đến S= Sthlà thẳng thì khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết. rd r i R R SS  , M = cost. (3.18) Trong đó : S - độ trượt khi điện trở mạch rotor là Rr Si - độ trượt khi điện trở mạch rotor là Rrd. Thay (10) vào (3) ta được biểu thức tính mômen là: i rdr S RI M . .3 2   (3.19) - 67 - Nếu ta giữ dòng mômen không đổi thì mômen cũng không thay đổi và không phụ thuộc vào tốc độ của động cơ. Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rotorcho truyền động có mômen tải không đổi. *) Sơ đồ biểu thị: c) d) Hình 3.9: Điều chỉnh xung trở rôto. Trên (H3.9a) trình bày sơ đồ nguyên lý của điều chỉnh trơn điện trở mạch rotor bằng phương pháp xung. Điện áp ur được chỉnh lưu bởi cầu diode CL, qua điện kháng lọc L được cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở R0 nối song song với khoá bán dẫn T1. Khoá - 68 - T1 sẽ được đóng ngắt một cách chu khỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở toàn mạch. Hoạt động của khoá bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung áp một chiều. Khi khoá T1 đóng điện trở R0 bị loại bỏ khỏi mạch, dòng điện rotor tăng lên, khi khoá T1ngắt điện trở R0 lại được đưa vào mạch , dòng điện rotor giảm với tần số đóng ngắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng rotor có thể coi như không đổi và ta có một điện trở tương đương Re trong mạch thời gian ngắt tn=T- tđ (H3.9b), nếu điều chỉnh trơn tỉ số giữa thời gian đóng tđ và thời gian ngắt tn ta điều chỉnh trơn được giá trị điện trơ trong mạch rotor. .000 R T t R tt t RR d nd d e    (3.20) Điện trở tương đương Re trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoay chiều ba pha ở rotor theo quy tắc bảo toàn công suất. Tổn hao trong mạch rotor nối theo sơ đồ (H3.9a) là: P =Td 2 (2Rrd + Re) (3.21) Và tổn thất (hao) khi mạch rotor nối theo sơ đồ(H5.1) là: P = 3Ir 2 ( Rrd + Rf) Cơ sở để tính đổi là tổn hao công suất là như nhau nên 3Ir 2 ( Rrd + Rf) = Id 2 (2Rrd + Re) Với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha thì : Id 2 =1,5 Ir 2 nên: 22 1 0RRR ef  (3.22) Khi đã có điện trở tính đổi, dễ dàng dựng được đặc tính cơ theo phương phá thông thường, họ các đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ: Rf =R0/2 (xem H3.9c) Để mở rộng phạm vi điều chỉnh mômen (H3.9d) có thể mắc nối tiếp với điện trở R0 một tụ điện dung đủ lớn. Việc xây dựng mạch phản hồi điều chỉnh tốc độ và dòng điện rotor được tiến hành tương tự như hệ điều chỉnh điện áp. 3.3.3. Điều chỉnh công suất trượt PS Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ ba hpa bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyênớcocs độ không tải lý tưởng thì công suất trượt PS =S.Pdt được tiêu tán trên điện trở mạch rotor. ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng đượ công suất trượt người ta sư dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là - 69 - các sơ đồ nội tầng. Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng, dưới đay trình bày phương pháp nối tầng điện dùng tiristo (H3.10a) a) b) Hình 3.10: Hệ thống nối tầng van. a)Sơ đồ nguyên lý. b) Giản đồ năng lượng. Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì: Ps = Mc(1- ) = Mc1.s = Pđt.s (3.23) s = PS/ Pđt. Giản đồ năng lượng khi bỏ qua tổn hao ở rotor được biểu diễn trên hình (H3.10b) trong đó Pbđ là công suất được trả về lưới điện, Pbđ là tổn hao trong mạch biến đỏi công suất trượt thành công suất điện có cùng tần số và điện áp lưới. Sức điện động rotor ur được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua điện kháng lọc L cấp cho nghịch lưu phụ thuộc NL, Điện áp xoay chiều của nghịch lưu (uA, uB, uC) có biên độ và tần số không đổi đo được xác định bởi điện áp và tần số của lưới điện. Nghịch lưu - 70 - làm việc với góc điều khiển  thay đỏi từ 900  1400, phần còn lại làm viẹc cho góc chuyển mạch  và góc hồi phục tính chất khoá  của các van. Độ lớn dòng điện rotor phụ thuộc hoàn toàn vào mômen tải của động cơ mà không phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu. Cụm mạch chỉnh lưu – nghịch lưu phụ thuộc chỉ làm thay đổi được góc ta của dòng điện ở phía xoay chiều của nghịch lưu khi điều chỉnh góc mở . Qúa trình dòng điện và điện áp của bộ biến đổi được mô tả trên (H3.10c ) cho trường hợp độ trựot S=1/3 giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu là như nhau. Udr = Udn = Ud Sai lệch về giá trị tức thời giữa điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu chính là điện áp trên điện kháng lọc L. Để đơn giản trong cách viết, giả thiết bỏ qua điện trở và diện kháng tản của mạch stator và coi động cơ có số vòng dây stator và rotor là như nhau, thì góc trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi Id= 0 là: 1 0133      lmd uU (3.24) Trong đó: ulm- biên độ điện áp lưới 0 – tốc độ không tải lý tưởng 1- tốc độ từ trường quay stator Khi tải Id  0 thì điện áp này giảm xuống do sutj áp chuyển mạch giữa các van trong cầu chỉnh lưu và sụt áp do điện trở dây quấn rotor (3.25) trong đó: 2 = e -  là tần số trượt của rotor, dòng điện chỉnh lưu trung bình sẽ là hàm số của tôc độ quay: (3.26) Độ trượt s0 gọi là độ trượt cơ bản của hệ thống khi không tải, độ trượt là do tải gây ra: 1 0' 1 01 0 ; .33 .         s U U s lm d (3.27) - 71 - Điện áp stator có dạng ua=Ulmcoset, nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator thì từ thông có biên độ tỷ lệ điện áp stator:  - Ulm/1 (3.28) và mômen của động cơ tỉ lệ với thành phần dọc trục của dòng điện rotor động cơ dr lm I U pM 1 '. 2 3    (3.29) Giá trị trung bình của dòng điện idr được tính như sau: XXr lm dr s s s s X U I '' ).1.(. 6   (3.30) Trong đó: sX= s0 + s’+ 2Rr/3Xr Cuối cùng phương trình xac định momen của hệ thống nối tần van điện sẽ là: XXre lm s s s s L U pM '' 1. 1 .)( 9 2'         (3.31) Trên hình (H5.9d - TĐĐ/175) có dưng các đặc tính cơ của hệ nối tầng van cho từng góc điều khiển  của nghịch lưu. 3.3.4. Điều chỉnh tần số của nguồn cấp Khi điều khiển tần số trở kháng ,từ thông ,dòng điện của động cơ thay đổi ,để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp.Đối vơi hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ khả năng quá tải và momen không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Momen cưc đại mà động cơ sinh ra được chính là momen tới hạn Mth, khả năng quá tải về momen được qui định bằng hệ số quá tải mômen M. M.= = Mth/ M - 72 - Hình 3.11: Xác định khả năng quá tải về momen Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn stato :Rs= 0 thì ta có phương trình 2 0 2 0 2 ' 2 2 .. 2         SS roS m th U K U LL L M (3.32). Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là: dm thdmth M M M M M  (3.33) Thay thế (1D) vào (2D) rút gọn ta được: thdmdm sdms M MUU 00   (3.34) Đặc tính cơ gần đúng của các máy sản xuất (phụ tải) có thể viết như sau: X dm dmc MM )( 0 0    (3.35) - 73 - H×nh 3.11: S¬ ®å nguyªn lý biÕn tÇn nguån ¸p Hình 3.12: Nguyên lý tạo điện áp xoay chiều 3 pha a: Trật tự đóng ngắt khoá S b: Đồ thị điện áp dây và pha c: Sơ đồ nối tải vào nguồn - 74 - Từ (4D) và(3D) rút ra được luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải về momen không đổi: 2 1 2 1 0 0 )()( x Sdm S x dmSdm S f f U U     (3.36) Thay ở dạng đơn vị không tên: ) 2 1*(* x SS fU   (3.37) 3.3.4.1. Các bộ biến đổi tần số điện áp: Sơ đồ nguyên lý mạch lực của một bộ biến tần nguồn áp trên (H2D-2) bao gồm bốn khối chức năng chính :nguồn điện một chiều NMC, mạch lọc F, nghịch lưu độc lập nguồn áp NL và động cơ không đồng bộ . Nguồn một chiều và mạch lọc tạo ra điện áp một chiều có giá trị điều chỉnh được ,nghịch lưu gồm 6khoá bán dẫn S1.S6 và cần 6 van điều khiển D1.D6 các khoá nghịch lưu được đóng cắt theo thứ tự nhất định(xem H2D-3a) tạo thành điện áp xoay chiều ba pha đặt nên động cơ chấp hành ,góc dẫn của các khoá là 180 , thời điểm các khóa S1,S3,S5 và S2,S4,S6 bắt đầu dẫn lệch nhau 120 ,do đó điện áp ra của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng là 120 và thỏa mãn điều kiện phân tích thành chuỗi điều hòa.     1 ) 6 sin(. 6 cos. 1 . 32 k edab tk k k uU     (3.38) k=1 + 6C; C = 0; 1; 2 Thành phần điều hòa cơ bản của (6D) có biên độ ddabm uuU 103,1 321   (3.39) Và giá trị hiệu dụng là: ddab uuU 78,0 61   (8D) Giá trị hiệu dụng của chuỗi (6D) ddab uuU 816,0 3 21  (9D) Biên độ sóng hài bậc k: . 32 k uU d k abm  (10D) - 75 - Đồ thị điện áp pha của động cơ có dạng bậc thang ,tại thời điểm các khoá chuyển mạch thì điện áp pha có đột biến nhẩy cấp.Giá trị từng cấp sẽ được xác định bởi (H2D-3b) .Dòng của động cơ là nghiệm của phương trình vi phân mô tả động cơ được giải ở từng đoạn.Khi điện áp pha không đổi dòng có dạng xoay chiều không điều hòa – xem H5.13 sau: Hình 3.13 : Đồ thị dòng điện và khoảng dẫn của các van. Các khóa S là các khóa ban dẫn ,ở các truyền động công suất nhỏ thường ding các tranzito , ở các truyền động công suât lớn thường dùng các van thyritor ,khi này việc khóa (ngắt) các khóa được thực hiện bằng các mạch đặc biệt như dùng tụ điện và các van thyritor phụ thời gian gần đây sử dụng các thyritor đặc biệt là các van khóa được bằng xung điều khiển(GTO). - 76 - Hình 3.14 : Phương pháp điều chỉnh điện áp trong nghịch lưu tần số - điện áp. a) Điều chỉnh biên độ. b) Điều chỉnh độ rộng một xung; c) Điều chỉnh độ rộng bằng điều chế một cực tính; d) Điều chế độ rộng xung hai cực tính. Giá trị điện áp của động cơ hoặc bởi điều chỉnh biên độ điện áp một chiều –bằng chỉnh lưu điều khiển hoặc bằng bộ băm xung áp (H5.14a) .Điện áp cũng có thể điều chỉnh bằng điều chỉnh thời gian đóng của các khóa S (H5.14b) hoặc là bằng điều chế độ rộng xung áp băng chính nghịch lưu (H5.14c,d). - 77 - Câu hỏi ôn tập 1. Làm thế nào để thay đổi và đảo chiều được tốc độ động cơ trong phương pháp điều chỉnh dùng hệ thống “Máy phát - Động cơ điện một chiều” ? 2. Làm thế nào để thay đổi được điện áp chỉnh lưu ? Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng hệ “Chỉnh lưu - Động cơ điện một chiều không đảo chiều” ? Các phương pháp điều khiển các bộ chỉnh lưu trong hệ truyền động T - Đ có đảo chiều ? Cách phối hợp góc điều khiển trong các phương pháp điều khiển các bộ chỉnh lưu ? 3. Làm thế nào để thay đổi tốc độ động cơ trong phương pháp điều chỉnh dùng hệ thống “Băm điện áp - Động cơ điện một chiều” ? 4. Phân tích phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách dùng bộ băm điện trở mạch rôto ? So sánh chỉ tiêu chất lượng với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách dùng các cấp điện trở phụ mạch rôto ? 5. Phân tích phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi tần số dòng điện stato (hệ :BT - ĐK) ? Tại sao khi thay đổi tần số người ta thường kết hợp điều chỉnh điện áp stato ? 6. Phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng các hệ “nối tầng điện cơ” và “nối tầng điện” ? Ưu, nhược điểm của các phương pháp đó ? - 78 - Chương 4 TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp tính toán và lựa chọn công suất của động cơ ứng với từng đặc điểm của các hệ truyền động điện Tài liệu tham khảo : Bùi Quốc Khánh (2002), Giáo trình Truyền động điện,NXBKHKT 4.1. Khái quát chung : 4.1.1. Một số vấn đề cơ bản : Khi thiết kế một hệ thống TĐĐ, người ta phải tiến hành các bước sau: - Tính chọn công suất động cơ truyền động. - Chọn loại động cơ và loại truyền động: Một chiều, xoay chiều, có hay không có điều chỉnh tốc độ, có đảo chiều quay không, dùng hệ F - Đ, V - Đ hay BBT - Đ v.v - Tính chọn các thiết bị ở mạch lực như: BBĐ, các thiết bị đóng,cắt, các mạch lọc v.v - Tính chọn mạch điều khiển. - Tính chọn thiết bị và mạch bảo vệ, đo lường, tín hiệu hoá. Như vậy, yếu tố hàng đầu cần quan tâm là công suất động cơ trong HTTĐĐ. Bởi vì, để một hệ thống truyền động điện làm việc tốt, thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và an toàn, cần chọn đúng công suất động cơ điện. Sự làm việc tin cậy và kinh tế của HTTĐĐ phụ thuộc vào sự lựa chọn chính xác công suất đông cơ điện và biện pháp điều khiển động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động. Các tiêu chuẩn để chọn động cơ là: Chọn đủ công suất kéo, tốc độ phù hợp với phạm vi điều chỉnh D và phương pháp điều chỉnh tốc độ, thoả mãn yêu cầu mở máy và hãm, phù hợp với nguồn điện, điều kiện làm việc v.v Trong đó, tiêu chuẩn chọn đúng công suất động cơ có ý nghĩa lớn. Nếu chọn Pđm của động cơ lớn hơn công suất yêu cầu của phụ tải thì: Động cơ kéo tải dễ nhưng giá thành cao, hiệu suất truyền động thấp, cos thấp do động cơ non tải làm ảnh hưởng đến chất lượng lưới điện. Ngược lại nếu chọn Pđm nhỏ hơn công suất yêu cầu của phụ tải thì động cơ không kéo tải được hoặc bị làm việc quá tải gây phát nóng cuộn dây làm cháy hỏng hoặc giảm tuổi thọ động cơ. Tuy nhiên, dựa vào đâu để tính chọn công suất động cơ ? Người ta dựa vào các thông tin sau: - Dựa vào đặc tính phụ tải và quy luật phân bố tải theo thời gian: Mc (t);Qc (t); Pc(t). Từ dó, biết được đặc điểm của phụ tải làm việc ở chế độ nào: Ngắn hạn, dài hạn, ngắn hạn lặp lại , Có yêu cầu đảo chiều, điều chỉnh chế độ tốc độ không ? Chế độ khởi động? - Dựa vào sự tính toán về nhiệt độ cho phép của động cơ: Động cơ trong chế độ làm việc bình thường cũng như khi quá tải cho phép thì nhiệt độ không được vượt quá nhiệt độ cho phép: Tcp. - 79 - - Ngoài ra, còn phải xem xét đến yêu cầu về khả năng quá tải cho phép của động cơ để xác định mômen quá tải rồi chọn công suất động cơ theo mômen quá tải. 4.1.2. Phát nóng và làm nguội động cơ điện. 4.1.2.1. Nguyên nhân phát nóng động cơ: Trong quá trình làm việc, thực hiện biến đổi điện năng thành cơ năng, một phần năng lượng bị tiêu tán bên trong động cơ dưới dạng nhiệt, biểu diễn dưới dạng tổn thất công suất: P = Pđ - Pcơ Pđ: Công suất điện mà động cơ tiêu thụ từ lưới. Pcơ ( Pc ): Công suất cơ động cơ đưa ra ở đầu trục. Vì Pcơ = . Pđ P = (1-). Pđ =   cP)1(  = cđđ đm cđm P P   )1(  . (Nếu ở chế độ định mức) Công suất tổn hao gồm ba phần: - Tổn hao do ma sát ở các ổ bi và roto quay trong không khí. - Tổn hao sắt từ, phụ thuộc và chất lượng lõi sắt rôto và stato. - Tổn hao trong các cuộn dây (tổn hao đồng) do hiệu ứng Jull. Tổn hao này tỉ lệ với bình phương dòng chạy qua roto, stato -> phụ thuộc vào tải -> Tổn hao thuộc loại tổn hao biến đổi, chiếm tỉ lệ lớn trong P : Vậy P = P không đổi + P biến đổi . Chính P sinh ra nhiệt lượng đốt nóng động cơ làm t0 động cơ tăng lên. Nếu động cơ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh thì t0 tăng mãi đếnnếu động cơ làm việc lâu dài. Thực tế, nhiệt lượng toả ra môi trường ngoài qua mặt ngoài động cơ làm hạn chế sự phát nóng đó. Sau một thời gian làm việc, t0 động cơ không tăng nữa mà đạt trị số ổn định. Lúc đó, nhiệt lương tỏa ra môi trường trong một đơn vị thời gian bằng nhiệt lượng sinh ra trong động cơ. Đó là trạng thái cân bằng động về nhiệt của động cơ: 4.1.2.2. Các phương trình cân bằng nhiệt: Giả thiết động cơ là một vật thể đồng nhất, nhiệt độ giống nhau ở mọi điểm và dẫn truyền nhiệt tức thời (hệ số dẫn nhiệt rất lớn). Nhiệt lượng sinh ra ở động cơ trong thời gian dt là: P dt (J), nhiệt lượng này chia làm hai phần: Phần nhiệt lượng làm cho động cơ nóng lên là C.d (C: Nhiệt dung của động cơ, tức là nhiệt lượng cần thiết làm cho động cơ nóng lên 10c (J/0C)), : Nhiệt sai (nhiệt độ chênh lệch giữa động cơ và môi trường(0C). ). Phần nhiệt lượng từ động cơ toả ra môi trường trong khoảng dt: A. . dt (A: Hệ số toả nhiệt, nhiệt lượng mà động cơ toả ra môi trường trong 1 đơn vị thời gian khi chênh lệch giữa nhiệt độ động cơ và nhiệt độ môi trường là10C(w/0C)); A phụ thuộc vào điều kiện làm mát của động cơ, nếu làm mát tốt thì A lớn. - 80 - Vậy, phương trình cân bằng nhiệt: P .dt = Cd + Adt (1). Dùng phương pháp phân ly biến số, giải (1) với , điều kiện đầu: t=0, = bđ ta có nghiệm: =ôđ (1 - e -t/ )(2). ôđ = A P : Nhiệt sai ổn định ; : Hằng số thời gian đốt nóng : = A C (thực chất, nghiệm là:  = ôđ + (bđ- ôđ). e -t/, nhưng tại t = 0 có bd = 0: t 0 động cơ = t0môi trường) => = ôđ (1 - e -t/ ). Đây là phương trình biểu diễn đường cong phát nóng của động cơ. Khi đang làm việc với một nhiệt sai nào đó, nếu cắt động cơ khỏi nguồn điện thì động cơ sẽ nguội dần. Lúc này, nguyên nhân sinh ra nhiệt của động cơ chỉ còn là lượng mất mát do ma sát rất nhỏ nên xem nhiệt lượng phát ra: Q=0 (ôđ =0) => = bđ .e -t/ . Đây là phương trình biểu diễn đường cong nguội lạnh của động cơ. Chú ý: bđ trong quá trình nguội lạnh chính là ôđ trong quá trình phát nóng. Từ đó, ta xây dựng được đường cong phát nóng và nguội lạnh: 4.2. Các chế độ làm việc của động cơ điện: Để tiến hành chọn công suất động cơ điện dựa theo chế độ nhiệt của động cơ, người ta phân loại các chế độ làm việc của động cơ: 4.2.1. Chế độ làm việc dài hạn: - Chế độ này động cơ làm việc có phụ tải trong một thời gian dài. Do đó, khi làm việc, động cơ có nhiệt độ đạt tới giá trị ổn định. Trong đó, nhiệt sai của động cơ cũng đạt tới trị số ổn định. VD: Động cơ làm việc ở chế độ dài hạn là các động cơ kéo quạt gió, bơm nước, máy nén khí. Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai của động cơ như hình vẽ. 4.2.2. Chế độ làm việc ngắn hạn: Động cơ làm việc có phụ tải trong 1 thời gian ngắn. Nhiệt sai của động cơ chưa đạt tới trị số ổn định thì mất phụ tải, thời gian nghỉ của động cơ rất dài, nhiệt sai của động cơ đủ để giảm xuống bằng nhiệt sai ban đầu. VD: Động cơ đóng, mở cửa đập nước, động cơ trong các cơ cấu nâng – hạ xà ngang, nêm chặt xà ở - 81 - các máy cắt gọt kim loại lớn (Tiện đứng, phay giường, bào giường). Giản đồ phụ tải, đường cong nhiệt sai như hình bên: 4.2.3. Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại. Thời gian làm việc có phụ tải và thời gian nghỉ xen kẽ nhau. Các khoảng thời gian này tương đối ngắn. trong thời gian làm việc: tlv, nhiệt sai của động cơ chưa đạt tới trị số ổn định thì mất phụ tải.Trong thời gian nghỉ, nhiệt sai động cơ giảm nhưng chưa về trị số cũ thì lại có phụ tải, nhiệt sai lại tăng lên. Quá trình cứ thế mà lặp lại, cuối cùng, nhiệt độ động cơ dao động xung quanh một nhiệt độ ổn định trung bình tb nào đó giữa max và min. VD: Cầu trục, máy hàn, cần trục Chế độ này được đặc trưng bởi hệ số thời gian đóng điện tương đối:  % = %100%100   ck lv nglv lv T t tt t . Các trị số tiêu chuẩn của  % là: 15%; 25%; 40%; 60%. 4.3. Các bước chọn công suất động cơ. 4.3.1. Các chỉ tiêu chọn động cơ điện. Chọn động cơ điện phải đảm bảo hai mặt: Kinh tế và kỹ thuật. 4.3.1.1. Về mặt kỹ thuật: - Động cơ được chọn phải có cấp điện áp phù hợp với nguồn. - Động cơ phải thích ứng với môi trường làm việc (khô ráo, ẩm ướt, sạch sẽ hoặc bụi bẩn, nóng hoặc lạnh). - Động cơ đựơc chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng (Điều kiện cơ bản nhất), sao cho khi làm việc bình thường hoặc khi quá tải cho phép, t0 động cơ không được vượt quá t0 cho phép. - Động cơ phải đảm bảo tốc độ yêu cầu, xem có hay không điều chỉnh tốc độ, có cấp hay vô cấp. - Phải đảm bảo điều kiện khởi động tốt theo yêu cầu phụ tải. 4.3.1.2. Về mặt kinh tế. Động cơ điện được chọn phải làm việc với hiệu suất kinh tế cao, vốn đầu tư rẻ chi phí vận hành, bảo quản và sửa chữa thấp, sử dụng hết công suất động cơ. 4.3.2. Các bước chọn công suất động cơ. - 82 - Động cơ điện muốn kéo đựơc cơ cấu sản xuất cần phải sản ra một mômen Mđ có khả năng khắc phục được các mômen sau: Mômen phụ tải cơ cấu sản xuất: Mpt; Mômen không tải M0; Mômen động Mđg, nghĩa là Mđ Mpt + M0 + Mđg. Muốn tìm được Mđ cần có các điều kiện ban đầu và các bước tính toán. 4.3.2.1. Điều kiện ban đầu. - Phải có biểu đồ phụ tải cơ cấu sản xuất: Mc = f1(t) hoặc Pc = f2(t) hoặc nhiệt lượng tiêu hao Q= f3(t) hay dòng điện I= f4(t). - Phải có biểu đồ biến thiên tốc độ trong qúa trình làm việc: n= f5(t) hoặc  = f6(t). Giả thiết biểu đồ đã cho như hình vẽ trang bên. 4.3.2.2. Các bước tính toán. Trước hết căn cứ vào biểu đồ phụ tải tĩnh: Mc = f(t), tính mômen trung bình theo biểu thức:     n i i n i ii tb t tM M 1 1 Sau đó, chọn sơ bộ động cơ có Mđm  Mtb. - Tính mômen động: Mđg ( xuất hiện trong quá trình quá độ: Mở, hãm, đảo chiều quay động cơ v.v):   tgJ dt d JMMM hthtcĐđg  Jht: Mômen quán tính của hệ thống đã quy đổi về đầu trục động cơ. - Vẽ biểu đồ Mđg = f(t) như hình vẽ. - Vẽ biểu đồ phụ tải động của hệ thống như hình vẽ: Mcđg= Mpt+ Mo + Mđg - Dựa vào biểu đồ phụ tải động, kiểm tra khả năng quá tải của động cơ theo điều kiện: M . Mđm  Mmax Trong đó: Mđm: Mô men định mức của động cơ đã chọn sơ đồ. Mmax: Mô men max trên biểu đồ phụ tải. M: Bội số mômen (hệ số quá tải). - Kiểm tra lại suất động cơ theo điều kiện phát nóng. Nếu kiểm tra không thoả mãn => Chọn lại động cơ. 4.4 . Chọn công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ. Để chọn công suất động cơ, ta cần phải biết đồ thị phụ tải Mc(t) và Pc(t) đã quy đổi về trục động cơ và giá trị tốc độ yêu cầu. Từ đồ thị phụ tải, chọn sơ bộ công suất động cơ, tra sổ tay các tham số, từ đó, xây dựng đồ thị phụ tải chính xác. Sau đó, tiến hành kiểm nghiệm động cơ đã chọn. 4.4.1. Chọn động cơ làm việc dài hạn. - 83 - Đối với phụ tải dài hạn, có loại không đổi, có loại biến đổi. 4.4.1.1. Phụ tải dài hạn không đổi: Động cơ cần chọn phải có công suất định mức lớn hơn công suất yêu cầu: Pđm ≥ Pc và tốc độ định mức phù hợp với yêu cầu. Thường thì chọn Pđm = (1  1,3)Pc. Trong trường hợp này, việc kiểm nghiệm động cơ đơn giản, không cần kiểm nghiệm quá tải về mômen, nhưng cần phải kiểm nghiệm điều kiện khởi động và phát nóng. 4.4.1.2. Phụ tải dài hạn biến đổi: Để chọn được động cơ phải xuất phát từ đồ thị phụ tải, tính ra giá trị trung bình của mômen hoặc công suất:     n oi i n oi ii tb t tM M . ;    i ii tb t tP P . Động cơ chọn phải có: Mđm = (1  1,3).Mtb Pđm = (1  1,3).Ptb Điều kiện kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm về phát nóng, khởi động, quá tải về mômen. 4.4.2. Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại. Biểu đồ phụ tải như hình vẽ: Sau 1 thời gian, nhiệt sai động cơ sẽ ổn định biến thiên trong khoảng min, max. Tương tự như trường hợp phụ tải ngắn hạn, ta có thể chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại hoặc chọn động cơ chuyên dùng ngắn hạn lặp lại. 4.4.2.1. Chọn công suất động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại. Thường động cơ dài hạn được chọn: Pđm  Plv Hệ số quá tải về nhiệt:  = max  od dm lv P P    Từ đường cong phát nóng, ta có  = vt vt od lv lv e e / '/ max 1 1       Trong đó: : Hằng số thời gian phát nóng A C  ; olv lv v v t t       ;' : Hệ số xét đến điều kiện làm mát bị xấu đi trong thời gian nghỉ t0. ( = 0,5: Động cơ một chiều,  = 0,25: Động cơ KĐB). - 84 - Dựa vào đồ thị phụ tải, xác định Plv yêu cầu, tlv, to từ đó chọn sơ bộ công suất động cơ để có  và o rồi tính  ’ và suy ra . Dùng phương pháp tính lặp sao cho: dm lv P P    4.4.2.2. Chọn công suất động cơ ngắn hạn lặp lại cho phụ tải ngắn hạn lặp lại. Động cơ ngắn hạn lặp lại được chế tạo chuyên dùng, độ bền cơ khí tốt, quán tính nhỏ, khả năng quá tải lớn (từ 2,53,5), đồng thời chế tạo chuẩn với % = 15%; 25%; 40%; 60%. Động cơ được chọn cần thỏa mãn hai điều kiện: + Pđm chọn ≥Plv. + %đm chọn phù hợp với %lv. Trường hợp chưa phù hợp thì hiệu chỉnh lại Pđm theo công thức: Pđmchọn ≥Plv. dmchon lv % %   Chú ý: Trường hợp phụ tải biến đổi thì phải dùng công thức các đại lượng đẳng trị: Pđt =   i ii t tP2 ;      ioi i dt tt t % Sau đó kiểm tra quá tải về mômen, mômen khởi động và phát nóng. 4.5. 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 các yêu cầu cơ bản: + Đặc tính phụ tải: Pyêu cầu (); Myêu cầu(); đồ thị phụ tải: Pc(t); Mc(t); (t). + Phạm vi điều chỉnh tốc độ: max, min + Loại động cơ (một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn. + Phương pháp điều chỉnh và BBĐ trong hệ thống truyền động đó cần định hướng trước. Như vậy, để tính chọn công suất động cơ ta phải biết phụ tải. Trong nhiều trường hợp, phụ tải rất khác nhau. Ta có thể chia thành hai nhóm. + Nhóm 1: ở mọi tốc độ, điều chỉnh Mc = const, công suất cản tỉ lệ bậc 1 với tốc độ. + Nhóm 2: ở mọi tốc độ, điều chỉnh công suất không đổi (Pc = const), còn Mc tỉ lệ nghịch với tốc độ:  o c P M  Đối với động cơ điện, các phương pháp điều chỉnh tốc độ theo tải cho phép được chia hai nhóm: - 85 - + Nhóm 1: Điều chỉnh tốc độ với mômen cho phép của động cơ không biến đổi ở mọi tốc độ, thường gọi là các phương pháp điều chỉnh tốc độ cơ mômen cho phép không đổi, Rp tỉ lệ bậc nhất với . Các phương pháp này thường được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp hoặc Rp mạch phần ứng của động cơ điện một chiều KTĐL, thay đổi Rp mạch rôtor hoặc số đôi cực ở ĐCKĐB. + Nhóm 2: Điều chỉnh tốc độ với Pcp = const;  cp cp P M  , thực hiện bằng cách giảm (ĐCMC) hoặc thay đổi số đôi cực (1 số trường hợp ĐCKĐB). 4.5.1. Chọn công suất động cơ cho truyền động điều chỉnh tốc độ có: Mc = const 4.5.1.1. Trường hợp: Mcp = const Động cơ chọn phải có: Mđm = Mc đm = max (điều chỉnh tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản) Pđm = Mđm.đm = Mcmax = Pcmax. 4.5.1.2. Trường hợp: Pcp = const Động cơ chọn phải có: Pđm = Pcmax =Mcmax đm = min (điều chỉnh ở n>ncb do Pcp = const) Mđm = DMM PP c mim c c dm dm .max min max     Cho thấy: Những truyền động yêu cầu Mc = const, nếu chọn động cơ theo phương pháp điều chỉnh tốc độ có: Pcp = const (không phù hợp yêu cầu của tải) => Mđm = D.Mc => Tăng kích thước, giá thành động cơ. 4.5.1.3. Chọn công suất động cơ có Pc = const. * Pcp = const: Phù hợp với yêu cầu phụ tải. Yêu cầu: Pđm = Pc Mđm = dm dmP Riêng ĐCMCKTĐL: Pcp = const (thực nghiệm với n>ccb bằng cách ) Yêu cầu chọn: đm = min Mđm = max min c c M P   * Mcp = const (không phù hợp với yêu cầu tải) Yêu cầu chọn: Mđm = Mcmax - 86 - Với min max  c c P M  Mcp = const => thực hiện với  < cb thì phải chọn: đm = max Pđm = Mđm. đm = Pc. DPc. min max    Câu hỏi ôn tập : Câu 1 Đồ thị phụ tải và ý nghĩa của đồ thị phụ tải Câu 2 Các chế độ làm việc của động cơ điện trong hệ truyền động điện theo đồ thị phụ tải Câu 3 Các bước chung tính chọn công suất động cơ điện cho hệ truyền động điện Câu 4 Các bước tính chọn công suất động cơ điện cho hệ truyền động điện không điều chỉnh tốc độ Câu 5 Các bước tính chọn công suất động cơ điện cho hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc độ - 87 - Chương 5 MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH THÔNG DỤNG Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về hệ tuyền động điện thông dụng ứng dụng trong các máy trang bị điện và các dây chuyền điện công nghiệp Tài liệu tham khảo : Bùi Quốc Khánh (2002), Giáo trình Truyền động điện,NXBKHKT 5.1. Hệ truyền động điện một chiều : 5.1.1. Hệ máy phát – động cơ ( F-Đ ) : 5.1.1.1. CÊu tróc hÖ F - § vµ c¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n : Trước đây, hệ thống Máy phát - Động cơ một chiều là một hệ truyền động điện điều chỉnh tốt nhất. Điều chỉnh tốc động động cơ rất linh hoạt và thuận tiện. Tuy nhiên hệ thống dùng nhiều máy điện quay nên cồng kềnh, khi làm việc gây ồn, rung, nên đòi hỏi phải có nền móng vững chắc. Sơ đồ nguyên lý như hình 5.1. Hình 5.1: Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMđl dùng máy phát. Coi mạch từ máy phát chưa bảo hoà, nên ta có: EF = KF. F. F = KF. F. C.iF (4-1) Trong đó: KF - hệ số kết cấu của máy phát, C = F/ iKF - hệ số góc của đặc tính từ hoá Nếu dây quấn được cấp bởi nguồn áp lý tưởng thì: iKF = UKF/rKF - 88 - Có thể coi gần đúng MF DC kích từ độc lập là bộ KĐ tuyến tính với: EF = KF.UKF Nếu đặt: R = RưĐ + RưF Phương trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng máy phát: M K R U K K KF F . )( . 2   )( );(0 KD KDKF U M UU    5.1.1.2. Chế độ làm việc của hệ F - Đ. * Góc phần tư I, III: chế độ động cơ. Hình 5.2: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ động cơ. EEF   0 Công suất điện từ của MF và ĐC: PF = EF.I > o PĐ = E.I < o Pcơ = M. > o Các biểu thức này nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn  máy phát  động cơ  tải. * Chế độ hãm tái sinh: Góc phần tư II, IV. - 89 - Hình 5.3: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ hãm tái sinh. Lúc này do 0  nên E > EF , mặc dù E, EF mắc xung đối nhưng dòng phần ứng lại chảy ngược lại từ động cơ về máy phát làm cho mômen quay ngược chiều tốc độ quay. Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ là: PF = EF.I < o PĐ = E.I > o Pcơ = M. > o Chỉ do dòng điện đổi chiều mà năng lượng được vận chuyển theo chiều từ tải  động cơ máy phát  nguồn, máy phát F và động cơ Đ đổi chức năng cho nhau. Hãm tái sinh trong hệ F - Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, khi hãm để đảm đảo chiều quay và khi làm việc ổn định với tải có tính chất thế năng. * Chế độ hãm ngược: - 90 - Hình 5.4: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ hãm ngược. Vùng hãm ngược của động cơ trong hệ F - Đ đựơc giới hạn bởi đặc tính hãm động năng và trục mômen. Sức điện động E của động cơ trở nên cùng chiều Sđđ máy phát hoặc rôto bị kéo quay ngược bởi ngoaị lực của tải thế năng, hoặc do chính sđđ máy phát đảo dấu. Biểu thức tính công suất sẽ là: PF = EF.I > o PĐ = E.I > o Pcơ = M. < o Hai nguồn sđđ E và EF cùng chiều và cùng cấp cho điện trở mạch phần ứng tạo nhiệt năng tiêu tán trên đó. 5.1.1.3. Đặc điểm hệ F - Đ. Đặc điểm của hệ F - Đ là điều chỉnh tốc độ rất linh hoạt, động cơ có thể tự động chuyển đổi qua các chế độ làm việc khi thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều tốc độ. Ví dụ động cơ đang làm việc tại điểm A, khi đảo chiều kích từ máy phát F (Mc = const) thỡ động cơ sẽ chuyển dần từ chế độ động cơ thuận (A) sang hóm tỏi sinh, hóm ngược, khởi động ngược và sẽ làm việc xác lập ở điểm B (chế độ hóm tỏi sinh). Khi điều chỉnh EF thỡ sẽ thay đổi được tốc độ động cơ   cb; khi đảo chiều iktF thỡ đảo chiều được EF và như vậy đảo chiều được . Nếu kết hợp điều chỉnh và đảo chiều từ thông của động cơ thỡ sẽ điều chỉnh và đảo chiều được tốc độ của động cơ   cb. - 91 - Như vậy, kết hợp điều chỉnh iktF và iktĐ thỡ sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ   cb và   cb (cả 2 vùng tốc độ). Nhược điểm của hệ: - Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá 75%), cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn. - Công suất đặt máy lớn. - Vốn đầu tư ban đầu cao. - Khó điều chỉnh sâu tốc độ do MF có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ. 5.1.2. Hệ Chỉnh lưu - Động cơ ( CL-Đ, hoặc T-Đ ) : * Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển - hay là các bộ chỉnh lưu dùng thyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng (hoặc IKT) động cơ điện một chiều, ta cũng gọi là hệ T - Đ. * Tuỳ theo yêu cầu TĐ mà dùng các sơ đồ CL: - Số pha: 1; 3; 6;.. - Sơ đồ nối: tia, cầu, đối xứng, không đối xứng. - Số nhịp: số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp nguồn (p). - Khoảng điều chỉnh: vị trí đặc tính ngoài trên mặt phẳng [Ud,Id]. - Chế độ năng lượng: CL, nghịch lưu phụ thuộc. - Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn. * Ví dụ một hệ T-Đ : Sơ đồ nguyên lý: a) b) H×nh 5.5: a) S¬ ®å nèi d©y. b) S¬ ®å thay thÕ. Chế độ dòng liên tục: Ed = Ed0.cos - 92 - Hình 5.6: Đồ thị thời gian chế độ dòng liên tục Do chỉnh lưu hình tia 3 pha nên p = 3:   cos. 2 33 2md UE  Nên: md UE 20 . 2 33   Đặc tính điều chỉnh: Hình 5.7: Đặc tính điều chỉnh Giá trị trung bình dòng CL: Dòng CL chính là dòng phần ứng động cơ nên từ sơ đồ thay thế: - 93 - Hình 5.8: Sơ đồ thay thế Ta có: Độ cứng đặc tính cơ: K dm XR K   2)(   Tốc độ không tải giả tưởng: dm d K   cos0 0   . H×nh 5.9: §Æc tÝnh c¬ cña hÖ T - §. Chế độ dòng dòng gián đoạn: - 94 - Ở vùng dòng điện gián đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh dốc hơn tốc độ không tải lý tưởng thực 0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng ’0 Vùng dòng điện gián đoạn bị giới hạn bởi một nửa đường elip với trục tung. Vùng này HT làm việc không ổn định. Thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần tính biên giới hạn, là khi:  = 2/p;  = 0 bởi phương trình: Với: m blt U E 2  m e blt U LI I 2 * .. 5.1.3. Hệ xung áp – động cơ ( XA-Đ ) : 5.1.3.1. Điều chỉnh xung áp đơn (Loại A: tải R, L, E). - 95 - Hình 5.10: Nguyên lý làm việc của bộ XA loai A. Chú ý: +) Nếu S thông liên tục (tđ = T) thì dòng phần ứng không đổi, có giá trị: I = Imax = Imin = R EU N  +) Nếu thời gian thông của S giảm đến giá trị tới hạn nào đó tđ = tđgh thì Imin = 0 và HT chuyển sang làm việc chế độ dòng gián đoạn. Tại trạng thái blt và vùng gián đoạn: Imax =  ud TtN e R EU / 1   Do yêu cầu đóng ngắt cao (200  300Hz) nên khoá S thường là khoá bán dẫn. Ta có sơ đồ: Hình 5.11: Sơ đồ nguyên lý khoá S trong XA đơn. 5.1.3.2. Đặc tính cơ. Trong chế độ dòng liên tục: tx = T NN d D UU T t U . I K R K U uN     . - 96 - Trong chế độ gián đoạn: tx < T Với uT T  a) b) Hình 5.12: a) Đặc tính điều chỉnh. b) Đặc tính cơ 5.2. Hệ truyền động điện xoay chiều : 5.2.1. Điều khiển dùng bộ biến tần : 5.2.1.1. Cấu trúc bộ biến tần gián tiếp : Hiện nay trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp có sử dụng động cơ điện xoay chiều, đặc biệt là các động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc. Việc điều chỉnh tốc độ và khởi động hầu hết đều có sử dụng các bộ biến tần. Trong đó phổ biến là các bộ biến tần gián tiếp. Cấu trúc cơ bản của bộ biến tần gián tiếp như cho trên hình 5.13 5.2.1.2. Sơ đồ nguyên lý mạch lực : Sơ đồ nguyên lý mạch lực phổ biến của hầu hết các bộ biến tần trên thị trường được cho trên hình 5.14 Hình 5.13 Sơ đồ cấu trúc BBT gián tiếp - 97 - 5.2.2. Hệ thống ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ : Ổn định điện áp đầu ra của máy phát điện đồng bộ một cách tự động là một trong các yêu cầu cơ bản của điều khiển tự động hệ thống máy phát điện, trong đó có máy phát đồng bộ Từ lý thuyết máy điện đã chỉ ra rằng, để điều khiển và giữ ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ, người ta dùng phương pháp điều chỉnh dòng điện kích từ 5.2.2.1. Sơ đồ cấu trúc tổng quát : Trên hình 5.15 chỉ ra sơ đồ khối tổng quát ổn định điện áp máy phát điện xoay chiều Trong đó : Bộ biến đổi có thể là bộ chỉnh lưu Thyristo hoặc bộ băm áp 5.2.2.2. Một số sơ đồ thực hiện : Trên hình 5.16 chỉ ra một số phương án thực hiện hệ thống tự động ổn định điện áp máy phát điện xoay chiều Hình 5.14 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần gián tiếp Hình 5.15 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ổn định điện áp máy phát - 98 - Hình 5.16 Mạch lực ổn áp máy phát : a,b Dùng bộ chỉnh lưu Thyristor c,d Dùng bộ băm áp Câu hỏi ôn tập Câu 1 Phân tích hoạt động và nêu các đặc điểm, ứng dụng của sơ đồ hệ thống F-Đ Câu 2 Phân tích hoạt động và nêu các đặc điểm, ứng dụng của sơ đồ hệ thống T-Đ Câu 3 Phân tích hoạt động và nêu các đặc điểm, ứng dụng của sơ đồ hệ thống XA-Đ Câu 4 So sánh các hệ F-Đ, T-Đ, XA-Đ Câu 5 Nêu các ưu điểm cơ bản của phương pháp điều khiển tần số để điều khiển động cơ không đồng bộ Câu 6 Phân tích hoạt động của sơ đồ cấu trúc tổng quát ổn định điện áp máy phát xoay chiều R