Giáo trình Mô đun Truyền động điện

Hệ số cos j thấp trong trường hợp điều chỉnh sâu. + Dòng điện chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây ra tổn hao phụ trong động cơ và có thể làm xấu đi dạng điện áp nguồn. Hình 5.10. Sơ đồ khối của một hệ truyền động T - Đ Hình 5.11. Hệ T - Đ đảo chiều quay nhờ đảo chiều dòng điện phần ứng. 3.6. Điều chỉnh tốc độ động cơ trong hệ thống Xung áp - Động cơ: Muốn biến đổi một giá trị điện áp một chiều thành một giá trị điện áp một chiều khác (giá trị trung bình) để cấp cho tải, người ta dùng bộ biến đổi một chiều - một chiều hay còn gọi là bộ điều chỉnh xung áp (điện áp) một chiều hoặc bộ băm điện áp một chiều. Bộ phận chính của bộ biến đổi này là một bộ khóa điện tử. Bộ khóa điện tử là thiết bị điện tử cho phép dưới tác động của 1 tín hiệu điện (tín hiệu điều khiển ) sẽ đóng hoặc ngắt một mạch điện công suất (thông - ngắt mạch lực). Bộ khóa điện tử có loại dùng thyristor hoặc transistor. Ký hiệu sơ đồ khối bộ khóa sử dụng thyristor như hình (3.12) Hình 3.12. Sơ đồ khối bộ khóa điện tử dùng thyristor Hình 5.13. Giản đồ điện áp của tải khi được điều chỉnh bởi khóa điện tử Khi đặt tín hiệu điều khiển vào Gc (ON), khóa điện tử thông, tải được cấp điện. Khi tín hiệu điều khiển đặt vào Gp (OFF), khóa điện tử ngắt, tải bị cắt điện.Bộ khóa điện tử chỉ dẫn dòng điện theo một chiều còn gọi là bộ khóa điện tử một hướng. Các bộ khóa điện tử một hướng trong mạch điện một chiều có thể làm việc như một bộ đóng cắt mạch không tiếp điểm và tùy theo nhịp độ đóng - cắt mà có thể điều chỉnh được công suất nguồn cấp cho tải. Nếu thời gian đóng là tđ, thời gian cắt là tc, theo hình 3.13 chu kỳ đóng - cắt là: T = tđ + tc (3.9) Điện áp cấp cho phụ tải sẽ không liên tục mà có dạng một chuỗi xung điện áp hình chữ nhật. Do đó bộ khóa điện tử còn có tên gọi là bộ điều chỉnh xung điện áp (xung áp) một chiều hay bộ hãm điện áp một chiều hoặc bộ điều chỉnh một chiều - một chiều. Giá trị trung bình của điện áp cấp cho phụ tải sẽ là: Ut = (3.10) Nếu đặt : d = (3.11) Và gọi là hệ số lấp đầy xung thì: UT = d . Ung (3.12) Từ (3.11) và (3.12) có thể điều chỉnh được điện áp cấp cho tải bằng 3 phương pháp: - Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung : thay đổi tđ nhưng vẫn giữ nguyên T, tđ tăng thì Ut tăng. Khi tđ = T (đóng liên tục) thì Ut = Ung - Phương pháp điều chỉnh tần số xuất hiện xung áp: thay đổi T nhưng vẫn giữ nguyên tđ ( tc thay đổi còn tđ không đổi), T tăng thì Ut giảm. - Phương pháp điều chỉnh thời gian xung: thay đổi cả tđ và T, do đó d thay đổi, d tăng thì Ut tăng. Tần số đóng - cắt của các bộ khóa điện tử có thể đạt vài kHz . Mỗi phương pháp điều chỉnh có một mạch điều khiển riêng. Khi thay đổi được điện áp trung bình cấp cho tải sẽ điều chỉnh được công suất tải. Nếu tải là động cơ thì tốc độ sẽ thay đổi. Sơ đồ hệ truyền động Xung áp - Động cơ mạch đơn (chỉ sử dụng 1 bộ khóa điện tử) được biểu thị trên hình 3.14 Hình 3.14. Hệ truyền động Xung áp - Động cơ mạch điện a) Nối tiếp b) Song song Nguyên tắc thay đổi tốc độ động cơ trong hệ truyền động Xung áp - Động cơ là thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ một chiều. Điện áp này là điện áp ra của bộ xung áp tính theo gái trị trung bình. Vậy, muốn điều chỉnh tốc độ động cơ chỉ cần thay đổi hệ số d lấp đầy xung của bộ xung áp. Hệ số này có thể thay đổi bằng 3 phương pháp: thay đổi tđ, T hoặc cả hai (như đã đề cập ở trên). Vì phụ tải là động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập và do Utb = d.U nên phương trình đặc tính cơ của động cơ khi sử dụng bộ điều chỉnh xung áp một chiều nối tiếp là: w = (3.13) Đường đặc tính cơ là những đường thẳng song song giống các đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. 3.7. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: Trong công nghiệp thường sử dụng các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB sau đây: * Điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ. * Điều chỉnh điện trở của mạch điện rotor. * Điều chỉnh số đôi cực của dây quấn stator. * Điều chỉnh tần số của nguồn cung cấp * Điều chỉnh công suất trượt. 3.7.1. Điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ: Moment quay của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào dây quấn stator, do đó có thể điều chỉnh moment quay M và tốc độ quay w của động cơ bằng phương pháp điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ. Phương pháp này thực hiện được với điều kiện giữ tần số nguồn điện không đổi. Việc điều chỉnh điện áp có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh biến trở Rđc nối giữa động cơ và nguồn điện hoặc điều chỉnh điện áp thứ cấp của một máy biến áp tự ngẫu 3 pha. Điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ theo các cách trên sẽ làm tiêu hao năng lượng trên phần tử điều chỉnh. Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều bằng thyristor. Trên hình là sơ đồ của một bộ điều chỉnh điện áp ba pha dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược nối vào bộ dây quấn stator động cơ không đồng bộ ba pha. Việc điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ được thực hiện khi thay đổi góc mở các thyristor. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB rotor lồng sóc bằng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều thyristor có ưu điểm là tiết kiệm năng lượng nhưng điện áp đặt vào động cơ bị hãm nhỏ và có dạng rất phức tạp, ngoài thành phần sóng điện áp cơ bản tạo ra moment quay cho động cơ, còn chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao. Các sóng hài bậc cao này tạo ra các moment phụ làm phát nóng động cơ. Để tránh cho động cơ bị phát nóng quá mức cho phép, bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều trên thường sử dụng đối với động cơ KĐB rotor dây quấn, đảm bảo cho điện trở mạch rotor có trị số lớn nhờ điện trở phụ nhằm làm giãn phạm vi điều chỉnh. Mặt khác các tổn thất do moment phụ gây ra bởi các sóng hài bậc cao của điện áp đặt động cơ không bị tích tụ lại trong động cơ mà thoát ra ngoài trên điện trở phụ dưới dạng nhiệt, khiến động cơ không phát nóng quá mức nhưng hiệu suất điều chỉnh lại giảm xuống nhiều. Nhận xét phương pháp điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ để thay đổi tốc độ: - Điện áp chỉ thay đổi được về phía giảm dưới giá trị định mức. - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện cùng với việc tăng điện trợ phụ ở mạch rotor đề tăng độ trượt tới hạn, do đó tăng được dải điều chỉnh. - Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, tốc độ giảm thì độ cứng đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kém đi. Phương pháp này thích hợp với các hệ truyền động mà moment cản của phụ tải là hàm tăng theo tốc độ như : quạt gió, bơm ly tâm ... Hình 3.15. Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ (a) Sơ đồ nguyên lý (b) và ( c) Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp 3.7.2. Điều chỉnh điện trở của mạch rotor: Phương pháp này chỉ áp dụng đối với động cơ KĐB rotor dây quấn. Việc thay đổi điện trở phụ Rp có thể thực hiện bằng cách sử dụng một trong các phương pháp sau : - Phân đoạn các điện trở phụ Rp bằng các bằng các tiếp điểm contactor. - Biến trở 3 pha. - Xung điện trơ.û Hình 3.17 biểu diễn sơ đồ nguyên lý mạch điện và nguyên lý điều chỉnh điện trở mạch rotor bằng phương pháp xung. Trong phương pháp xung điện trở sức điện động 3 pha của dây quấn rotor được biến đổi thành điện áp chỉnh lưu nhờ cầu chỉnh lưu 3 pha để cung cấp cho mạch điều khiển gồm điện trở R0 mắc song song với khóa điện tử K. - Khi khóa K ngắtû, điện trở phụ trong mạch Rp = R0 - Khi khóa K thông, điện trở phụ trong mạch Rp = 0 Trị số trung bình của điện trở tương đương trong mạch một chiều (xem hình 3.17b) Rtb = Vậy: Rtb = . R0 = d . R0 (3.14) Trong đó: d = hệ số lấp đầy xung. Khóa điện tử K làm nhiệm vụ thay đổi d , khi d thay đổi, giá trị điện trở trung bình cũng thay đổi Nhận xét phương pháp điều chỉnh điện trở (Rp) của mạch điện rotor. - Chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm so với tốc độ định mức. - Tốc độ càng giảm, độ ổn định tốc độ càng kém. - Dải điều chỉnh phụ thuộc vị trí moment tải. Moment tải càng nhỏ, dải điều chỉnh càng hẹp. - Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ), độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi điều chỉnh càng lớn Hình 3.16. Các đường đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch rotor Hình 3.17. Điều chỉnh xung điện trở rotor a) Giản đồ xung điều chỉnh b) Sơ đồ nguyên lý c) Các đặc tính cơ khi thay đổi 3.7.3. Điều chỉnh số đôi cực của dây quấn stator: Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ rotor lồng sóc. Nguyên lý điều chỉnh xuất phát từ biểu thức: no = p: số đôi cực của động cơ Nếu số đôi cực p thay đổi, tốc độ của động cơ cũng thay đổi. Độâng cơ thay đổi được số đôi cực là động cơ được chế tạo đặc biệt để cuộn dây stator có thể thay đổi được cách nối tương ứng với các số đôi cực khác nhau. Sự tương tác giữa từ thông cuộn dây stator với các thanh dẫn trên cuộn rotor chỉ có thể thực hiện để sinh ra moment quay khi số đôi cực của stator bằng số đôi cực của rotor. Điều này khó thực hiện được đối với rotor dây quấn, nhưng rotor lồng sóc có khả năng tự thay đổi số đôi cực tương ứng với stator. Vì vậy phương pháp này chỉ sử dụng cho động cơ rotor lồng sóc. Ví dụ: Hình 3.18 trình bày sơ đồ nguyên lý chuyển đổi cuộn dây stator có số đôi cực p1 = 4 sang p2 = 2 hoặc ngược lại (mạch Dahlander). Tỉ lệ đổi 2:1. Đây là cách đổi nối D / YY (tam giác /sao kép). Phương pháp đấu đổi cực trong trường hợp này đảm bảo moment quay động cơ không đổi . Hình 3.18. Đổi nối D / YY theo tỉ lệ 2 :1 và các đặc tính cơ tương ứng a) Stator có p1 = 4 b) Stator có p2 = 2 c) Các đặc tính cơ tương ứng Nhận xét về ưu và nhược điểm của phương pháp điều chỉnh này: Ưu: - Việc điều chỉnh đơn giản. - Kinh tế , không tiêu hao năng lượng phụ - Độ cứng đặïc tính cơ khi điều chỉnh được giữ nguyên. Nhược: - Phạm vi điều chỉnh tốc độ hạn chế - Thay đổi tốc độ theo cấp với độ nhảy cấp khá lớn Phương pháp này sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ trong các máy không cần độ chính xác cao như quạt gió, máy nâng, thang máy .... 3.7.4. Điều chỉnh tần số nguồn điện cung cấp cho động cơ: Từ biểu thức tốc độ của động cơ không đồng bộ: n = n0 (1- s) = (1- s) Nếu thay đổi tần số f của nguồn điện cung cấp cho động cơ, tốc độ động cơ có thể được điều chỉnh vô cấp. Đối với động cơ KĐB rotor lồng sóc chỉ có điều chỉnh tần số mới thực hiện điều chỉnh tốc độ vô cấp trong dải rộng. Đối với động cơ KĐB, nếu bỏ qua điện trở và điện cảm của dây quấn stator, phương trình điện áp dây quấn stator là: U1 = E1 = 4,44 f . w1 . kdq1 . f (3.15) Suy ra: f = . Với k1 = là hằng số (3.16) Nếu thay đổi tần số nguồn điện và giữ nguyên độ lớn điện áp stator, từ thông động cơ sẽ tăng lên đến giá trị bão hòa. Động cơ không thể phát triển hiệu quả moment cực đại khi dòng điện tăng, hệ số quá tải động cơ ( l M = ) giảm , tổn hao thép tăng làm động cơ phát nóng Để tránh hiện tượng trên, điện áp stator U1 cần được thay đổi cùng với f sao cho từ thông không đổi và bằng giá trị từ thông định mức. = hằng số (3.17) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện theo công thức (3.17) là nguyên lý điều chỉnh từ thông không đổi trở thành nguyên lý điều khiển = hằng số. Biều thức moment tới hạn (moment cực đại) của động cơ KĐB Mth = Mmax = Giả thiết: R1 << (x1 +x2’) 2 , ta có Mmax = (3.18) x2’ : điện kháng dây quấn rotor quy về stator. Hay ở dạng rút gọn: Mmax = k2 . (3.19) Với hằng số k2 k2 = (3.20) Từ (3.19), khi điều chỉnh tần số theo nguyên lý không đổi với các điều kiện đã thiết lập, các đường đặc tính sẽ có moment cực đại không đổi. Khi động cơ hoạt động ở tần số thấp, điện trở R1 không thể bỏ qua so với trở kháng (x1 +x2’), nên moment cực đại Mmax bị suy giảm ở tấn số thấp. Để duy trì khả năng quá tải của động cơ làm việc ở tần số thấp, có thể giảm điện áp U1 với mức độ ít hơn so với mức độ giảm tần số f sao cho Mmax không bị suy giảm. Khi điều chỉnh tốc độ động cơ lớn hơn định mức , điện áp U1 sẽ duy trì không đổi và bằng định mức (U1 = Uđm), còn tần số f được điều chỉnh tăng lên lớn hơn định mức ( f > fđm ). Khi đó, từ thông f trong động cơ giảm, động cơ làm việc ở chế độ non kích từ. Cho nên Mmax sẽ bị suy giảm, để tránh hiện tượng động cơ quá tải, moment động cơ sẽ được điều chỉnh theo nguyên lý công suất không đổi. Tóm lại, khi điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp biến đổi tần số phải thực hiện 2 cách điều chỉnh tốc độ, cách này tiếp theo cách kia: a. Điều chỉnh với moment không đổi M = hằng số hoặc từ thông không đổi f = hằng số. b. Điều chỉnh với công suất không đổi P = hằng số khi từ thông f suy giảm. Nhận xét phương pháp điều chỉnh tần số nguồn điện: - Tốc độ động cơ được điều chỉnh vô cấp với phạm vi điều chỉnh rộng mà các phương pháp khác không thể thực hiện được. - Phải có bộ nguồn có điện áp U1 tần số f thay đổi, khiến giá thành bộ điều chỉnh cao. Nếu dùng bộ nguồn bằng máy điện quay điều khiển đơn giản nhưng hiệu suất kém. Hiện nay các bộ biến tần dùng thyristor được sử dụng phổ biến, nhờ đáp ứng được tốc độ tác động nhanh, độ chính xác và hiệu suất cao nhưng mạch điều khiển phức tạp. Hình 3.19. Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi điều chỉnh tần số 3.7.5. Điều chỉnh công suất trượt: Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ KĐB rotor dây quấn. Khi điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rotor, công suất trượt DPs = s. Pđt được tiêu tán trên điện trở phụ mạch rotor. Đối với các hệ thống truyền động điện công suất lớn, tổn hao này rất đáng kể. Do đó, với mục đích vừa điều chỉnh tốc độ động cơ, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi là các sơ đồ nối tầng. Trong các sơ đồ này, bộ biến đổi công suất có nhiệm vụ trả năng lượng trượt về nguồn điện lưới xoay chiều. Có nhiều sơ đồ nối tầng, sau đây là một sơ đồ nguyên lý nối tầng của bộ biến đổi gồm bộ Chỉnh lưu - Nghịch lưu phụ thuộc dùng thyristor, hình 3.20 Hình 5.20. Hệ thống nối tầng sử dụng van điện Trên sơ đồ hình 3.20, sức điện động rotor của động cơ có tần số f2 nhỏ hơn tần số lưới điện cung cấp (f1 = 50 Hz > f2) sẽ được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua một điện kháng lọc L cấp cho bộ nghịch lưu phụ thuộc biến đổi thành nguồn điện xoay chiều có giá trị điện áp và tần số bằng với giá trị điện áp và tần số của lưới điện thông qua biến áp trả năng lượng trượt về lưới điện. Khi điều chỉnh góc mở a của các thyristor trong bộ nghịch lưu, tốc độ động cơ sẽ thay đổi tương ứng. Hệ truyền động cơ vịng kín : hồi tiếp âm điện áp, hồi tiếp âm tốc độ. Nguyên lý chung. Trong quá trình làm việc của các hệ thống truyền động điện nhiều hệ thống địi hỏi phải ổn định tốc độ để nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất của thiết bị. Mặt khác ổn định tốc độ của truyền động điện cịn cĩ khả năng mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và tăng khả năng quá tải cho động cơ điện. Nhìn chung các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện đa số là làm cho độ cứng của đặc tính cơ của hệ giảm đi do đĩ cần thiết phải ổn định tốc độ động cơ điện nhằm nâng cao độ cứng của đặc tính cơ. Vì sai số tĩnh của tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của đặc tính cơ do đĩ để làm giảm sai số chúng ta cần phải ổn định tốc độ truyền động điện muốn vậy các thơng số điều chỉnh phải tự động thay đổi theo giá trị phụ tải sao cho phù hợp với sụt tốc do tải gây ra. Để thực hiện các quá trình tự động thay đổi các thơng số điều chỉnh tốc độ theo tải thì chúng ta phải thiết lập các hệ thống điều khiển vịng kín tức là các hệ thống cĩ phải hồi. Cấu trúc chung của hệ thống điều chỉnh tốc độ vịng kín được mơ tả trên hình 5.21. Hình 5.1 Cấu trúc chung của hệ thống điều chỉnh tốc độ vịng kín. Trong đĩ: + Uđ là giá trị thơng số đặt đầu vào cĩ thể là điện áp hay tốc độ + PH bộ phản hồi để lấy tín hiệu phản hồi cĩ thể là dịng điện, điện áp, tốc độ + Udk là giá trị sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi. + DC là bộ điều chỉnh tùy thuộc vào từng hệ thống bộ điều chỉnh cĩ thể là các bộ biến đổi điện áp, biến tần, hệ máy phát động cơ cĩ chức năng biến đổi các thơng số điều chỉnh. + Xdc là thơng số điều chỉnh cĩ chức năng làm biến đổi độ cứng của đặc tính cơ. + Đ là động cơ điện. Trong các hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng các bộ biến đổi, thơng thường độ cứng của đặc tính cơ khơng thay đổi trong phạm vi điều chỉnh. Khi ứng với đường đặc tính cơ thấp nhất ta cĩ tốc độ nhỏ nhất: w = wmin và sai số điều chỉnh thường là lớn hơn giá trị cho phép. Trong đĩ bm: là độ cứng của đường đặc tính cơ mong muốn nĩ được xác định dựa vào sai số cho phép của đặc tính cơ. Các giá trị cần thiết của Eb khi thay đổi tải được xác định thơng qua giao điểm của các đường đặc tính cơ của hệ hở với đường đặc tính cơ mong muốn. Ưu điểm của hệ thống điều tốc mạch kín so với hệ điều khiển mạch hở cĩ thể được tĩm tắt như sau: - Độ cứng của đặc tính cơ của hệ mạch kín cứng hơn nhiều so với hệ mạch hở. - Sai số tĩnh của tốc độ của hệ mạch kín nhỏ hơn nhiều so với sai số tĩnh của tốc độ trong hệ mạch hở. - Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ mạch kín rộng hơn nhiều so với phạm vi điều chỉnh tốc độ trong hệ mạch hở. 2.2. Ổn định tốc độ động cơ điện một 2.2.1. Ổn định tốc độ động cơ điện một chiều dùng phản hồi dương dịng tải. a. Qui luật thay đổi Eb theo dịng tải. Sơ đồ nguyên lý hệ thống được mơ tả trên hình 5.2a Hình 5.2 Sơ đồ điều khiển động cơ điện một chiều dùng phản hồi dương hồi tải Ta cĩ phương trình đặc tính cơ của hệ thống điều khiển dùng bộ biến đổi BD cĩ dạng sau: Tại các giao điểm của đường đặc tính cơ này với đường đặc tính cơ mong muốn (hình 5.1b) ta luơn cĩ: b. Đặc tính cơ của hệ. - Trên hình 5.2 ta cĩ: Hạn chế dịng điện trong truyền động điện tự động. Vấn đề hạn chế dịng điện chỉ được đặt ra với các hệ truyền động điện kiểu vịng kín vì khi thiết kế, tính tốn các hệ này cĩ dùng các mạch phản hồi để giảm sai số tốc độ, tức là tăng độ cứng đặc tính cơ, đồng thời làm tăng giá trị dịng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch. Kết quả là gây nguy hiểm cho động cơ khi bị quá tải lớn và gây hỏng hĩc các bộ phận truyền lực bởi gia tốc quá lớn khi khởi động và hãm. Để giải quyết mâu thuẫn giữa yêu cầu về ổn định tốc độ làm việc và yêu cầu về hạn chế dịng điện, thường dùng phương pháp phân vùng tác dụng. Trong vùng biến thiên cho phép của momen và dịng điện phần ứng, đặc tính cơ cần cĩ độ cứng cao để đảm bảo sai số tốc độ là nhỏ. Khi dịng điện và momen vượt quá phạm vi này thì phải giảm mạnh độ cứng đặc tính cơ để hạn chế dịng điện. Mặt khác, trong quá trình khởi động, hãm, điều chỉnh tốc độ động cơ thường cĩ yêu cầu giữ gia tốc khơng đổi để hệ đạt được tối ưu về thời gian quá trình quá độ. Để đạt được điều này trong các hệ truyền động cĩ momen tải khơng đổi thì đặc tính cơ phải cĩ đoạn độ cứng bằng khơng Câu hỏi ơn tập - Nguyên lý và đặc tính cơ của hệ ổn định tốc độ động cơ điện một chiều dùng phản hồi dương dịng tải. - Nguyên lý và đặc tính cơ của hệ ổn định tốc độ động cơ điện một chiều dùng phản hồi âm điện áp phần ứng. - Nguyên lý và đặc tính cơ của hệ ổn định tốc độ động cơ điện một chiều dùng phản hồi âm tốc độ. - Nguyên lý điều áp ổn định tốc độ dùng phản hồi âm tốc độ động cơ khơng đồng bộ. - Nguyên lý điều áp-tần số ổn định tốc độ dùng phản hồi âm tốc độ và phản hồi dương dịng điện động cơ điện khơng đồng bộ. BÀI 5: ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Mục tiêu: - Trình bày được các quá trình quá độ cơ học, quá độ điện-cơ trong hệ truyền động điện vịng hở. - Giải thích được các quan hệ thời gian của các đại lượng điện-cơ trong hệ truyền động điện. - Lắp đặt và vận hành được các mạch khởi động, các mạch hãm hệ truyền động điện. Nội dung: 1. Đặc tính động của truyền động điện. Các bài trước đã chú trọng phân tích trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện. Đĩ là trạng thái làm việc của hệ khi momen động cơ cân bằng với momen cản: M = Mc. Khi đĩ cac thơng số tốc độ, momen, dịng điện, của động cơ cĩ giá trị khơng đổi. Các đặc tính cơ và cơ điện đã xét ở các bài trên đều tương ứng với trạng thái này. Tuy nhiên, các hệ truyền động điện đều cĩ khả năng rơi vào trạng thái mất cân bằng cơ học, khi M ≠ Mc. Thậm chí cĩ những máy sản xuất mà hệ truyền. động điện của chúng chủ yếu làm việc ở trạng thái mất cân bằng như truyền động của máy bào giường, máy xúc Hoặc cĩ những loại máy chỉ làm việc ở trạng thái mất cân bằng cơ học như truyền động của búa máy, máy nén pittong Người ta gọi trạng thái này là trạng thái quá độ. Đặc tính cơ trong trạng thái này gọi là đặc tính động của truyền động điện. - Độ quá điều chỉnh dmax (dmax ≤ 40% hoặc cĩ thể nhỏ hơn). - Thời gian quá độ Tqđ (Tqđ càng nhỏ càng tốt). - Số lần dao động n (n = 2 ¸ 3 là tốt) Hình 6.1 Đặc tính động 2. Quá độ cơ học; quá độ điện - cơ trong hệ truyền động điện. Quá trình quá độ truyền động điện (QTQĐ TĐĐ) là quá trình làm việc của hệ thống TĐĐ khi chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác, khi đĩ các đại lượng đặc trưng cho hệ thống TĐĐ (I, M, ω, ...) đều thay đổi theo thời gian. Dựa vào các đặc tính I(t), M(t), ω(t), n(t)... ta sẽ xác định được thời gian và tính chất diễn biến của QTQĐ tương ứng với chế độ cơng nghệ của máy; từ đĩ đánh giá được mơmen cho phép, gia tốc dịng điện trong QTQĐ, cũng như biết được mức độ quá tải của động cơ, và từ đĩ mà chọn cơng suất động cơ và các khí cụ, thiết bị điều khiển cho phù hợp. Nguyên nhân cĩ QTQĐ cĩ thể là: - Nguyên nhân khách quan: do tác động ngẫu nhiên (nhiễu loạn) VD: mưa, bão, sét đánh, nhiệt độ thay đổi, điện áp, tần số lưới thay đổi, phụ tải thay đổi bất thường ... - Nguyên nhân chủ quan: do con người điều khiển hoặc tác động điều khiển các chế độ làm việc khác nhau của hệ thống TĐĐ theo yêu cầu cơng nghệ VD: thay đổi tốc độ, khởi động, hãm, đảo chiều ..., vì các phần tử, các thiết bị cĩ quán tính cơ và quán tính điện từ nên cĩ QTQĐ. Hệ thống TĐĐ cĩ các phần tử điện + cơ nên luơn luơn tồn tại các phần tử tích luỹ năng lượng, do đĩ mà cĩ quán tính: - Quán tính điện từ: đặc trưng bởi hằng số thời gian điện từ Tđt = L/R , do các phần tử tích luỹ năng lượng điện từ như điện cảm L, tụ điện C. - Quán tính cơ: đặc trưng bởi hằng số thời gian cơ Tc = J/β, do các khâu tích luỹ động năng như mơmen quán tính J và khối lượng quán tính m (β là độ cứng đặc tính cơ). - Quán tính nhiệt: được đặc trưng bởi hằng số thời gian nhiệt Tn = C/A , do các phần tử tích luỹ nhiệt năng như nhiệt dung ... (C là nhiệt dung, A là hệ số toả nhiệt). Thường Tn rất lớn nên ta bỏ qua khi xét QTQĐ, vì QTQĐ cĩ thể đã kết thúc rồi mà quá trình thay đổi nhiệt vẫn cịn, cho nên coi như khơng ảnh hưởng đến QTQĐ đang xét. Tđt cĩ thể xét đến khi điện cảm L lớn, lúc đĩ quán tính điện từ tương đương với quán tính cơ. Cịn khi Tđt << Tc thì bỏ qua quán tính điện từ. Tc luơn luơn xét đến, vì các phần tử thường cĩ J, m tương đối lớn. Khảo sát QTQĐ sẽ xây dựng được các quan hệ của các đại lượng cơ, điện (n, ω, I, M ...) theo thời gian (t). Từ đĩ tính được thời gian QTQĐ. Như vậy sẽ đánh giá được năng suất máy và nếu cần thiết thì tìm biện pháp giảm thời gian quá độ để tăng năng suất máy. Hoặc từ đĩ tính được các gia tốc, lực điện động và sẽ hạn chế khơng cho vượt quá trị số cho phép. Đồng thời sẽ tính được sự phát nĩng của động cơ theo dịng xác lập và dịng quá độ, từ đĩ tìm biện pháp khắc phục và chọn cơng suất động cơ cho phù hợp. Sau đây sẽ khảo sát một số quá trình quá độ (QTQĐ) thường xảy ra trong hệ thống truyền động điện (TĐĐ) và chủ yếu xét đến hằng số Tc và Tđt. 3. Khởi động hệ truyền động điện, thời gian mở máy. Khởi động hệ truyền động điện hay chính là khởi động động cơ truyền động cho hệ truyền động đĩ. Trong quá trình khởi động sẽ xảy ra hiện tượng quá độ cơ học. Khi khởi động (mở máy) động cơ, dịng điện mở máy tăng cao, thường từ 5 ¸ 7 lần dịng điện định mức của động cơ. Với động cơ cơng suất lớn, dịng điện mở máy này làm giảm điện áp lưới điện, ảnh hưởng đến sự làm việc của bình thường của các thiết bị khác cùng trong hệ thống truyền động điện đĩ. Thời gian mở máy là khoảng thời gian từ khi bắt đầu khởi động hệ đến khi hệ làm việc ổn định. Thời gian mở máy càng nhỏ thì hệ càng nhanh chĩng đi vào làm việc, động cơ cũng như các thiết bị khác khơng bị phát nĩng quá mức (do dịng điện tăng cao trong thời gian mở máy). 4. Hãm hệ truyền động điện, thời gian hãm; dừng máy chính xác. 4.1. Hãm hệ truyền động, thời gian hãm. Động cơ đang chạy ở số vịng quay định mức, nếu ta cắt mạch động cơ ra khỏi lưới điện, thì động cơ sẽ dần dần ngừng cho đến lúc đứng yên. Động năng đã tích lũy trong khối chuyển động dần dần tiêu hao do ma sát. Nhưng tổn hao ma sát quá nhỏ, do đĩ quá trình mà số vịng quay giảm dần dến số khơng sẽ kéo dài. Rút ngắn thời gian này bằng cách hãm cơ và hãm điện. Truyền động điện cĩ các trạng thái hãm: - Hãm cưỡng bức bằng cơ khí: sử dụng phanh - Hãm điện: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng. - Hãm dừng tự do. 4.2. Dừng máy chính xác. 4.2.1. Ý nghĩa của việc dừng chính xác Ở một số máy cĩ yêu cầu cao về độ chính xác dừng máy, ví dụ các máy khoan, doa, phay chuyên dùngcác bộ phận làm việc như bàn dao, bàn máy phải dừng đúng vị trí yêu cầu (với lượng sai số cho phép) để đảm bảo chất lượng gia cơng và năng suất. Ở thang máy, máy nâng yêu cầu buồng máy phải dừng đúng sàn tầng hoặc các mặt bằng lấy tải, tháo tải. Độ chính xác dừng máy của những máy này khơng những ảnh hưởng tới năng suất chất lượng cơng việc mà cịn ảnh hưởng tới an tồn của người và máy. 4.2.2. Các biện pháp nâng cao độ chính xác dừng máy. Độ chính xác dừng máy sẽ tăng nếu ta sử dụng một số biện pháp sau đây: - Giảm thời gian tác động: Để giảm thời gian tác động của mạch khống chế người ta sử dụng các khí cụ tác động nhanh và thiết kế các sơ đồ khống chế tối giản cĩ số lượng các khí cụ tác động nối tiếp tối thiểu. - Tăng lực hãm: Dùng các phương pháp hãm cưỡng bức: hãm cơ khí, hãm điện. - Giảm momen quán tính và khối lượng. - Giảm vận tốc ban đầu. - Giảm điện áp phần ứng động cơ một chiều. - Giảm từ thơng động cơ một chiều. - Sử dụng điện trở phụ. - Thay đổi sơ đồ đấu dây động cơ khơng đồng Câu hỏi ơn tập. Câu 1: Phương trình cơ bản để tính tốn quá trình quá độ cơ học là phương trình nào? Viết phương trình và giải thích các đại lượng trong phương trình. Các đại lượng nào được coi là cho trước và chúng được lấy từ đâu? Cĩ thể đơn giản hĩa phương trình này như thế nào? Câu 2: Dạng chung của các đặc tính quá độ cơ học như ω = f(t), M = f(t) như thế nào? Viết phương trình và vẽ đường cong các đặc tính đĩ, phân tích ý nghĩa hằng số thời gian cơ học của hệ. Câu 3: Định nghĩa quá trình quá độ điện – cơ. Lấy một vài ví dụ về quá trình quá độ điện – cơ trong các hệ truyền động điện. BÀI 6: CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Mục tiêu - Chọn đúng cơng suất động cơ cho những truyền động cĩ điều chỉnh và khơng điều chỉnh tốc độ. - Kiểm nghiệm cơng suất động cơ sau khi đã chọn cho phù hợp với máy sản xuất. Nội dung 1. Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát nhiệt. Việc chọn công suất động cơ điện có ý nghĩa rất quan trọng. Nếu công suất động cơ được chọn nhỏ hơn công suất phụ tải yêu cầu thì khi đưa vào vận hành cơ cấu truyền động cho phụ tải, động cơ sẽ luôn luôn bị làm việc ở trạng thái quá tải, có thể bị phát nóng quá mức quy định (quá nhiệt), dẫn đến sự cố cháy dây quấn hoặc giảm thời gian sử dụng. Ngược lại, nếu chọn công suất động cơ lớn hơn công suất phụ tải yêu cầu sẽ làm tăng vốn đầu tư không cần thiết, đồng thời động cơ có thể luôn phải làm việc ở trạng thái non tải, hiệu suất thấp, ngoài ra, đối với động cơ không đồng bộ thì khi làm việc non tải sẽ dẫn đến hiện tượng giảm hệ số công suất cosf, gây ra các ảnh hưởng xấu đến lưới điện cung cấp. Để chọn công suất động cơ, cần phải tính toán phụ tải trong cả 2 trạng thái làm việc: quá độ và ổn định. Do vậy cần phải thiết lập các đồ thị phụ tải mô tả các quan hệ giữa moment quay M, công suất P và dòng điện i theo thời gian: M = (t) ; P =(t) ; i =(t) Công suất chọn cho động cơ phải có giá trị tương ứng với đồ thị phụ tải đã cho, nghĩa là động cơ phải được đảm bảo là luôn luôn vận hành đầy tải mà không bị phát nóng quá mức giới hạn cho phép, chịu được trạng thái quá tải về dòng điện trong thời gian nhất định, có moment mở máy đủ lớn để đảm bảo khởi động tốt một cơ cấu truyền động phù hợp với công suất đã chọn. 1.1. Hiện tượng phát nóng và nguội lạnh động cơ điện: a. Nguyên nhân phát nóng: Khi động cơ điện thực hiện quá trình biến đổi điện năng thành cơ năng, có một phần năng lượng bị tổn hao là: DW = DP dt (4.1) Trong đó DP là công suất tổn hao trong động cơ. Công suất tổn hao bao gồm 3 thành phần : * Tổn hao dưới dạng nhiệt do ma sát trên các ổ bi làm điểm tựa cho trục rotor, ma sát giữa rotor với không khí khi rotor quay. * Tổn hao sắt từ phụ thuộc vào chất lượng của lõi sắt từ. Hai thành phần tổn hao trên đây không phụ thuộc vào phụ tải nên không thay đổi theo phụ tải và được gọi chung là tổn hao không đổi. * Tổn hao trong các bộ dây quấn (gọi là tổn hao đồng). Tổn hao này phụ thuộc vào phụ tải nên được gọi là tổn hao biến đổi (theo phụ tải). Tổn hao này chiếm tỉ lệ rất lớn trong tổng tổn hao công suất chung của động cơ. Nếu gọi: Pđ là công suất điện mà động cơ nhận vào từ lưới cung cấp Pc là công suất cơ sinh ra trên trục động cơ Tổn hao công suất DP có giá trị: DP = Pđ - Pc (4.2) Ở chế độ định mức: DPđm = Pđ đm - Pc đm (4.3) Vì: P = h . Pđ (Với h là hiệu suất của động cơ) Nên: DP = (1 - ). Pđ DP = (4.4) Suy ra: DPđm = . Pc đm (4.5) Chính công suất tổn hao DP đã sinh ra nhiệt lượng làm phát nóng động cơ. Nhiệt lượng sinh ra trong động cơ trong thời gian 1 giây có công thức tính là: Q = 0,24 . DP [ Kcal/s ] ( 4.6 ) Vì nhiệt lượng được sinh ra này mà nhiệt độ của động cơ tăng lên. Trong quá trình làm việc lâu dài, nếu động cơ không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài thì nhiệt độ động cơ sẽ tăng lên vô cùng. Tuy nhiên, trên thực tế luôn luôn diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa động cơ với môi trường xung quanh, và vì thế nhiệt luợng của động cơ tỏa ra môi trường xung quanh với một tốc độø tăng tỷ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ của động cơ. Sau một khoảng thời gian làm việc nào đó, nhiệt độ động cơ không tăng nữa và đạt đến trị số ổn định. Ở trị số nhiệt độ ổn định này, toàn bộ nhiệt lượng sinh ra trong động cơ trong một đơn vị thời gian sẽ tỏa hết ra môi trường xung quanh trong cùng thời gian đó. Trạng thái này được gọi là trạng thái cân bằng nhiệt của động cơ. b. Phương trình cân bằng nhiệt của động cơ: Do động cơ được cấu tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau và mỗi loại vật liệu đó có thể có cấu tạo không đồng nhất, nên trong quá trình vận hành, nhiệt độ sinh ra trong động cơ tại nhiều vị trí là không giống nhau. Để đơn giản hóa cho việc tìm ra quy luật chung cho sự phát nóng, ta cần có các giả thiết: + Động cơ là một vật thể có cấu tạo đồng nhất và có nhiệt độ giống nhau tại mọi điểm. + Hệ số dẫn nhiệt của động cơ là vô cùng lớn. + Môi trường xung quanh có nhiệt dung vô cùng lớn, nên trong quá trình phát nóng của động cơ, xem như nhiệt độ môi trường không đổi. Với các giả thiết như trên, nếu gọi: * C là nhiệt dung của động cơ, tức là nhiệt lượng sinh ra cần thiết để nhiệt độ của động cơ tăng lên thêm 1oC (J/ oC) * A là hệ số tỏa nhiệt của động cơ, tức là nhiệt lượng mà động cơ tỏa ra môi trường xung quanh trong một đơn vị thời gian khi chênh lệch nhiệt độ giữa động cơ và môi trường là 1oC (J/ s oC). Hệ số này phụ thuộc vào điều kiện làm mát của động cơ. (khi điều kiện làm mát càng tốt thì hệ số tỏa nhiệt càng lớn) * Q là nhiệt lượng do động cơ sinh ra trong một đơn vị thời gian, đơn vị tính bằng (J/s) * t là nhiệt sai của động cơ, tức nhiệt độ chênh lệch giữa động cơ và môi trường, đơn vị (oC) * t là thời gian khảo sát, đơn vị tính bằng giây (s) Phương trình cân bằng nhiệt giữa động cơ và môi trường xung quanh được viết như sau: Q.dt =C.dt + A.t.dt (4.7) Trong đó: Q.dt : Nhiệt lượng động cơ sinh ra trong thời gian dt. C.dt : Phần nhiệt lượng dùng để làm gia tăng nhiệt độ của động cơ. A.t.dt : Phần nhiệt lượng từ động cơ tỏa ra môi trường trong thời gian dt. Nếu đặt: tôđ = : Nhiệt sai ổn định của động cơ, tức là nhiệt sai ứng với lúc t = ¥ q = : Hằng số thời gian phát nóng, tức thời gian cần thiết để đưa nhiệt sai của động cơ từ 0 đến nhiệt sai ổn định khi động cơ không tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Giải phương trình (4.7) với điều kiện ban đầu: t = 0 , t = tbđ Ta có phương trình nhiệt sai của động cơ là: t = tôđ + (tbđ - tôđ) e (4.8) Khi tbđ = 0 , tức ở thời điểm t = 0, nhiệt độ của động cơ bằng nhiệt độ của môi trường, ta có: t = tôđ ( 1- e) (4.9) (4.8) và (4.9) là các phương trình biểu diễn đường cong phát nóng của động cơ. Khi động cơ đang làm việc với một nhiệt sai nào đó, nếu bị cắt ra khỏi nguồn điện, động cơ sẽ nguội dần. Tác nhân sinh nhiệt của động cơ lúc này chỉ còn là phần năng lượng tổn hao do ma sát và có trị số rất nhỏ. Ta có thể xem như động cơ không sinh nhiệt (Q = 0) vàkhi đó phương trình (4.8) chỉ còn lại thành phần: t = tbđ . e (4.10) (4.10) được gọi là phương trình biểu diễn đường cong nguội lạnh của động cơ. Ta cần chú ý rằng giá trị nhiệt sai ban đầu tbđ của quá trình nguội lạnh cũng chính là nhiệt sai ổn định tôđ của quá trình phát nóng động cơ. Về mặt lý thuyết, khi t =¥ thì nhiệt sai của động cơ mới đạt đến trị số ổn định tôđ . Nhưng thực tế quá trình tăng nhiệt của động cơ kết thúc khi nhiệt sai của nó là: t = (0,95 ¸ 0,98) .tôđ và thời gian tăng nhiệt sai của động cơ là: t = (3 ¸ 4) .q Đồ thị biểu diễn các đường cong phát nóng và nguội lạnh của động cơ theo thời gian có dạng như hình vẽ sau đây: t (a) (b) t t t tôđ tbđ tôđ tbđ tbđ = 0 tôđ = 0 tôđ ¹ 0 tbđ ¹ 0 Hình 4.1: (a) Đường cong phát nóng của động cơ (b) Đường cong nguội lạnh của động cơ 2. Chọn cơng suất động cơ cho truyền động khơng điều chỉnh tốc độ. Đề chọn công suất động cơ, chúng ta cần phải biết đồ thị phụ tải Mc(t) và Pc(t) đã được quy đổi về trục động cơ và trị số tốc độ yêu cầu (wyc). Dựa vào đồ thị phụ tải, ta tính toán sơ bộ và chọn động cơ theo công suất. 2.1. Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn: a. Các dạng đồ thị phụ tải tổng quát: + Chế độ làm việc dài hạn: Phụ tải không đổi hay thay đổi đều có tính duy trì liên tục trong thời gian dài, do đó đồ thị phụ tải là một đường thẳng hoặc đường cong liên tục, hoặc là đường bao gồm các đoạn thẳng, gấp khúc, liền nhau và kéo dài. + Chế độ làm việc ngắn hạn: Do phụ tải chỉ duy trì trong những khoảng thời gian ngắn, do đó đồ thị phụ tải là các đoạn gấp khúc ngắn. Hình 4.5: Hình dạng đồ thị phụ tải dài hạn (a) Không đổi (b) Biến đổi Pđm Pc , Mc (a) (b) Pc , Mc t t + Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại: Phụ tải có tính chất chu kỳ, các trạng thái làm việc và nghỉ xen kẽ nhau trong những khoảng thời gian ngắn, do đó đồ thị phụ tải là các đoạn thẳng gấp khúc ngắn và rời rạc từng phần. Hình 4.6: Hình dạng đồ thị phụ tải ngắn hạn (a) Không đổi (b) Biến đổi tlv t t Pc , Mc Pc , Mc tlv t1 t2 t3 (b) (a) b. Phụ tải dài hạn không đổi: Dựa vào dạng đồ thị phụ tải dài hạn không đổi đã quy đổi về trục động cơ (hình 4.5(a)), tra sổ tay kỹ thuật ta có thể chọn được một động cơ điện có công suất định mức và tốc độ định mức tương ứng thỏa mãn điều kiện: Pđm ³ Pc wđm ³ wyc (4.12) (Với wyc là tốc độ yêu cầu) Thông thường chọn: Pđm = (1 ¸ 1,2) Pc (4.13) Việc kiểm nghiệm động cơ trong trường hợp này chỉ cần quan tâm đến điều kiện khởi động và điều kiện phát nóng mà không cần kiểm nghiệm khả năng quá tải về moment. c. Phụ tải dài hạn biến đổi: Với trường hợp phụ tải dài hạn biến đổi, căn cứ vào dạng đồ thị phụ tải (hình 4.5(b)), ta có thể tính toán trị số trung bình của moment cản hoặc công suất như sau: Mtb = Tổng quát: Mtb = (4.14) Công suất trung bình: Ptb = Tổng quát: Ptb = (4.15) Động cơ được chọn cần phải thỏa mãn điều kiện: Mđm = (1,1 ¸ 1,3) Mtb (4.16) Hoặc: Pđm = (1,1 ¸ 1,3) Ptb (4.17) Đồng thời tốc độ wđm (hay nđm) phải phù hợp (bằng) với tốc độ yêu cầu (wyc). Công suất động cơ sau khi được chọn bắt buộc phải kiểm nghiệm các điều kiện khởi động, điều kiện phát nóng và kiểm tra cả khả năng quá tải về moment. 2.2. Chọn công suất động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn: Trong phần này chỉ xét chọn công suất động cơ chuyên dụng để làm việc ở chế độ ngắn hạn. Thời gian làm việc của loại động cơ này được tiêu chuẩn hóa là 15, 30, 60, 90 phút. Các dạng đồ thị phụ tải ngắn hạn không đổi vàbiến đổi tổng quát được biểu diễn trên hình 4.6 a. Phụ tải ngắn hạn không đổi: Trong trường hợp này, động cơ được chọn cần phải thỏa điều kiện: Mđm = (1,1 ¸ 1,3) Mc (4.18) Hoặc: Pđm = (1,1 ¸ 1,3) Pc (4.19) Và thời gian làm việc tiêu chuẩn (ttc) của động cơ phải bằng hoặc đủ lớn hơn thời gian làm việc (tlv) của phụ tải, thông thường chọn: ttc ³ tlv (4.20) b. Phụ tải ngắn hạn biến đổi: Làm việc với phụ tải ngắn hạn có trị số biến đổi, ta cần phải tính toán các giá trị đẳng trị của phụ tải để làm cơ sở chọn công suất động cơ. Moment đẳng trị và công suất đẳng trị được tính như sau: Mđt = Pđt = Tổng quát: Mđt = (4.21) Pđt = (4.22) Động cơ chọn cần thỏa mãn: Mđm = (1,25 ¸ 1,5) Mđt Hoặc: Pđm = (1,25 ¸ 1,5) Pđt (4.23) Tương tự như (4.20), thời gian làm việc tiêu chuẩn của động cơ thường được chọn: ttc ³ tlv Trong đó: tlv = t1+t2+....+tn 2.3. Chọn công suất động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại: Trong phần này chỉ tính toán và chọn công suất cho các động cơ chuyên dụng được chế tạo chỉ để làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Các động cơ này được thiết kế với độ bền cơ học cao, quán tính nhỏ để thích ứng với điều kiện mở máy và hãm dừng thường xuyên, có khả năng chịu quá tải lớn (cho phép từ 2,5 ¸3,5 lần), thời gian đóng điện tương đối tiêu chuẩn e%tc là 15%, 25%, 40% và 60%. Động cơ được chọn cần phải thỏa mãn điều kiện sau: Pđm ³ Plv (4.24) Trong đó: Plv = Pc khi phụ tải ngắn hạn lặp lại là không đổi Plv = Pđt khi phụ tải ngắn hạn lặp lại là biến đổi Công suất đẳng trị Pđt được tính theo công thức (4.22) Tỷ số e%tc phải phù hợp với e% làm việc thực tế. Trường hợp e%tc không phù hợp với e% làm việc thực tế với sai lệch ít nhất, ta cần hiệu chỉnh lại công suất định mức của động cơ theo phương án sau: Pđm ³ Plv (4.25) Trường hợp e%tc không phù hợp với e% làm việc thực tế với sai lệch lớn, việc chọn công suất động cơ là không khả thi. 3. Kiểm nghiệm công suất động cơ: Việc tính toán và chọn công suất động cơ trên đây là giai đoạn chọn sơ bộ bước đầu. Giai đoạn kế tiếp là cần phải kiểm nghiệm lại động cơ đã được chọn dựa trên 3 tiêu chuẩn sau: Kiểm nghiệm về tình trạng phát nóng động cơ Kiểm nghiệm khả năng quá tải về moment Kiểm nghiệm khả năng khởi động (và khởi động lại) của động cơ Nếu quá trình kiểm nghiệm lại, cho ra các số liệu không thỏa mãn được các điều kiện yêu cầu cụ thể cho từng trường hợp và từng chế độ làm việc của động cơ như đã chỉ ra trên đây, việc chọn động cơ xem như không đạt và phải tiến hành chọn lại động cơ khác. 3.1. Kiểm nghiệm phát nóng động cơ: Công suất động cơ được lựa chọn phải thỏa mãn yêu cầu: t £ tcp (4.26) Với: tcp là nhiệt sai cho phép đối với động cơ. Việc tính toán phát nóng của động cơ rất khó thực hiện một cách chính xác. Tuy vậy có thể thực hiện kiểm nghiệm phát nóng một cách gián tiếp thông qua các đại lượng điện. i) Kiểm nghiệm phát nóng động cơ bằng phương pháp tính tổn thất công suất trung bình: Căn cứ vào đồ thị phụ tải P= f (t) , xác định tổn thất công suất DPi trong từng khoảng thời gian ti ứng với phụ tải Pi theo công thức: DPi = Pi (4.27) P Pc h t 0 0 P1 P2 P3 P4 P5 t1 t2 t3 t4 t5 . . . ti h3 h1 h2 hI . . . Hình 4.7: Cách xác định h dựa vào tương quan giữa đường cong hiệu suất và đồ thị phụ tải (a) Đường cong hiệu suất của động cơ (b) Đồ thị phụ tải (b) (a) Trong đó: hi là hiệu suất động cơ khi làm việc với phụ tải Pi được xác định dựa vào tương quan giữa các đồ thị: P = f (t) và h =j (P). Sau đó tính tổn thất công suất trung bình theo biểu thức: D Ptb = (4.28) Theo yêu cầu kiểm nghiệm, nếu: D Ptb £ D Pđm (4.29) Thì động cơ thoả mãn điều kiện phát nóng. Trong đó tổn thất công suất định mức của động cơ được xác định theo biểu thức: D Pđm = Pđm . (4.30) Với: Pđm : Công suất định mức của động cơ hđm : Hiệu suất định mức của động cơ Đối với các động cơ có gắn cánh quạt trên trục rotor để tự làm mát, thì trong biểu thức (4.28) khi tính toán cần phải tính đến sự suy giảm truyền nhiệt khi động cơ dừng, khi khởi động vàhãm dừng. Ta có thể tính giá trị tổn thất công suất trung bình theo công thức sau: DPtb = (4.31) Trong đó: * a : Hệ số suy giảm truyền nhiệt khi khởi động và hãm động cơ. a = 0.75 đối với động cơ điện một chiều. a = 0.5 đối với động cơ điện xoay chiều. * tk : Thời gian khởi động hay hãm dừng. * b : Hệ số suy giảm truyền nhiệt khi dừng động cơ. b = 0.5 đối với động cơ điện một chiều. b = 0.25 đối với động cơ điện không đồng bộ. * to : Thời gian nghỉ. * tlv: Thời gian làm việc. ii) Kiểm nghiệm phát nóng động cơ theo đại lượng dòng điện đẳng trị (Iđt) : Biểu thức tính tổn thất công suất của động cơ: D Ptb = K +V = K + I2đt .R (4.32) Trong đó: V= I2đt .R Với: K: Tổn thất không đổi. V: Tổn thất biến đổi Thay (4.32) vào (4.28) ta được : K + I2đt .R = K + I2đt .R = + R Ta được biểu thức dòng điện đẳng trị: Iđt = (4.33) Điều kiện kiểm nghiệm phát nóng của động cơ là: Iđt £ Iđm (4.34) Với: Iđm là dòng điện định mức của động cơ. Iđt là dòng điện đẳng trị được xác định dựa vào đồ thị i = f (t). Trong trường hợp đồ thị là đường cong i= f (t) biến thiên liên tục như hình (4.8), ta xác định dòng điện đẳng trị Iđt bằng cách phân chia đường cong i= f (t) thành các đường bậc thang và sử dụng công thức: t i t1 t2 t33 t4 t5 I1 I2 I3 Hình 4.8: Phân đoạn đường cong i = f (t) để xác định dòng điện đẳng trị Iđt = (4.35) iii) Kiểm nghiệm phát nóng động cơ bằng phương pháp moment đẳng trị: Việc kiểm nghiệm phát nóng động cơ theo phương pháp moment đẳng trị được suy ra từ phương pháp dòng điện đẳng trị khi moment động cơ tỷ lệ với dòng điện: M = C. I (với C là hằng số tỷ lệ). * Đối với động cơ điện một chiều thì điều kiện này chỉ thỏa mãn khi động cơ vận hành với từ thông f không đổi. * Đối với động cơ không đồng bộ ta có: M = Cm . I2 . f 2 . cosj2 Với điều kiện từ thông f2 không đổi; hệ số công suất cosj2 là hằng số Công thức tính moment đẳng trị được suy ra từ biểu thức (4.35) như sau: Mđt = (4.36) Động cơ được kiểm nghiệm theo điều kiện: Mđm ³ Mđt (4.37) iv) Kiểm nghiệm phát nóng động cơ bằng phương pháp công suất đẳng trị: Đối với các hệ thống truyền động có tốc độ ít thay đổi thì công suất P tỷ lệ với moment M, vì vậy có thể dùng đại lượng công suất đẳng trị để kiểm nghiệm phát nóng. Công suất đẳng trị được xác định theo biểu thức sau: Pđt = (4.38) Động cơ được kiểm nghiệm theo điều kiện: Pđm ³ Pđt (4.39) Đây là phương pháp có phạm vi ứng dụng hạn chế và chỉ dùng được trong trường hợp động cơ làm việc trên đặc tính cơ khá cứng. Khi động cơ làm việc với tốc độ thay đổi nhiều, đặc tính cơ có độ dốc lớn, phương pháp này không còn chính xác. 3.2. Kiểm nghiệm quá tải về moment và kiểm nghiệm moment khởi động: i) Kiểm nghiệm quá tải về moment: Điều kiện kiểm nghiệm quá tải về moment đối với động cơ nói chung là: Mđm > Mmax Trong đó Mmax là moment lớn nhất của phụ tải, được xác định từ đồ thị phụ tải * Đối với động cơ điện một chiều, có thể kiểm nghiệm theo tỷ số dòng điện: £ li Với: Imax là trị số lớn nhất của dòng điện xác định trên đồ thị phụ tải. li là hệ số quá tải cho phép về dòng điện. Trong trường hợp động cơ điện một chiều kết cấu bình thường thì: li = 2 ¸ 2,5 * Đối với động cơ không đồng bộ, ta có thể kiểm nghiệm quá tải về moment cho phép theo biểu thức: l .Mđm ³ Mmax Với: l là hệ số quá tải về moment của động cơ. ii) Kiểm nghiệm về moment khởi động: Muốn động cơ khởi động được thì moment khởi động Mkđ của động cơ phải lớn hơn moment cản Mc của phụ tải khi khởi động, ta có điều kiện kiểm nghiệm về moment khởi động của động cơ là: Mkđ > Mc khi khởi động Ví dụ: Cho một cơ cấu máy sản xuất trong công nghiệp có đồ thị phụ tải được biểu diễn trên hình vẽ sau đây. Biết rằng tốc độ quay định mức của cơ cấu theo yêu cầu công nghệ là: nđm = 1440 v/ph, và chế độ khởi động là khởi động không tải. Hãy tính toán và chọn động cơ điện truyền động chính để kéo cơ cấu sản xuất đó. Các trị số công suất của phụ tải trên hình vẽ là: P1 = 10,9 KW; P2 = 0,55 KW; P3 = 6,55 KW; P4 = 0,55 KW tương ứng với các khoảng thời gian: t1 = 17s ; t2 = 6s ; t3 = 10s ; t4 = 25s. Bài giải: Công suất đẳng trị của phụ tải : Pđt = Pđt = Ta chọn động cơ không đồng bộ lồng sóc kiểu A0–52–4 có các thông số kỹ thuật như sau: P3 P(kW) P2 P1 P4 P5 t(s) 10 8 6 4 2 10 20 30 40 50 60 70 0 Pđm = 7KW, nđm = 1440 v/p, l = 2 Ở đây ta có: Pđm = 7KW > Pđt = 6.9KW. Như vậy điều kiện phát nóng của động cơ chọn đã được thỏa mãn. Vì động cơ khởi động không tải cho nên không cần kiểm tra điều kiện khởi động. Phần còn lại, ta chỉ cần kiểm tra điều kiện quá tải của động cơ. Ta có moment định mức của động cơ: Mđm = 9550. = 9550 . Moment lớn nhất của phụ tải: Mmax pt = 9550 . N.m = 72,4N.m Ta có: l .Mđm = 2 x 46,4 = 92,8 N.m Vậy: l .Mđm = 98,2 > Mmax pt = 72,4 t(s) Điều kiện quá tải như vậy đã được thỏa mãn. Kết luận: Động cơ được chọn như trên là phù hợp với yêu cầu truyền động đề ra. TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO [1]- Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện – Nxb Khoa học Kỹ thuật 2007 [2]- Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện – Nxb Khoa học Kỹ thuật 2006 [3]- Nguyễn Tiến Ban, Thân Ngọc Hồn, Điều khiển tự động các hệ thống truyền động điện – Nxb Khoa học Kỹ thuật 2007 [4]- Võ Quang Lạp,Trần Thọ, Cơ sở truyền động điện – Nxb Khoa học Kỹ thuật 2004