Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
+ n: tốc độ quay (vòng/phút)
Mặt khác, mômen điện từ của động cơ:
M
đt
= k.Φ.I
ư
Φ
=→
k
M
I
dt
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì M
cơ
= M
đt
= M
Từ các phương trình trên ta có: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc
thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là:
Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên.
Tốc độ ω
o
= U
ư
/k.Φ là tốc độ không tải lý tưởng.
Khi phụ tải tăng dần từ M
c
= 0 đến M
c
= M
đm
thì tốc độ động cơ giảm
dần từ ω
o
xuống ω
đm
nên phương trình đặc tính cơ có dạng:
Với: ∆ω =
( )
2
Φ
k
R
_độ sụt tốc trên đặc tính cơ.
b. Đặc tính cơ
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông
Φ = const thì phương trình đặc tính cơ của
động cơ một chiều kích từ độc lập tuyến
tính có dạng hàm bậc nhất y = ax + b nên
đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một
đường thẳng cắt trục 0ω tại ω
o
với độ dốc
âm.
2. Điều khiển tốc độ động cơ một chiều
a. Chỉ tiêu điều khiển tốc độ
Điều khiển tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền
động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản
xuất. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường
căn cứ vào một số chỉ tiêu sau:
( )
M
k
RR
k
U
f
2
.
.
Φ
+
−
Φ
=
ω
( )
M
k
R
k
U
2
.
.
Φ
−
Φ
=
ω
ωωω
∆−=
o
M
M
đm
ω
ω
đm
ω
o
∆ω
ĐTT
N
0
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
- Sai số tốc độ
Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì
tốc độ đặt và được đánh giá thông qua:
Mong muốn: sai số ω
đ
= ω
s% càng nhỏ càng tốt.
- Tính liên tục ( độ trơn của dải điều chỉnh)
ω
i + 1
≈ ω
i
: hệ thống điều khiển liên tục
ω
i + 1
≠ ω
i
: hệ thống điều khiển nhảy cấp
Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá
trong suốt dải điều chỉnh.
- Dải điều khiển tốc độ
Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị
nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho:
Mong muốn D càng lớn càng tốt
- Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước…
b. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm
so với các loại động cơ khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh
cao trong một dải rộng….
Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:
Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện
được bằng cách thay đổi các đại lượng: R
ư
, Φ, U
ư
Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:
100
ω
ωω
×
−
=
d
d
s%
i
i
ω
ω
γ
1
+
=
min
max
ω
ω
=
D
( )
M
k
R
k
U
2
.
.
Φ
−
Φ
=
ω
R
f
= 0
R
f1
R
f2
ω
0
ω
M
0
M
2
M
1
M
c
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
∗ Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng
Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ
trong nhiều năm.
- Nguyên lý điều khiển
Trong phương pháp này người ta giữ U = U
đm
; Φ = Φ
đm
và nối
thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
Độ cứng của đường đặc tính cơ:
Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng
nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó
càng mềm hơn.
Ứng với R
f
= 0 ta có độ cứng tự nhiên β
TN
có giá trị lớn nhất nên đặc tính
cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở
phụ.
Như vậy, khi ta thay đổi R
f
ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính
cơ tự nhiên.
- Đặc điểm của phương pháp
+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ
định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng
trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường
dùng ở động cơ điện trong cần trục.
- Đánh giá các chỉ tiêu
+ Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà
phải điều khiển nhảy cấp.
+ Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải
điều chỉnh D = ω
max
/ ω
min
càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh
trong dải D = 3 : 1
( )
f
dm
RR
k
M
+
Φ
−=
∆
∆
=
2
.
ω
β
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện
trở phụ lớn.
+ Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
∗ Phương pháp 2: Thay đổi từ thông Φ
- Nguyên lý điều khiển
Giả thiết U= U
đm
; R
ư
= const . Muốn thay đổi từ thông động cơ ta
thay đổi dòng điện kích từ.
Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp
biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.
Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích
tối đa (Φ = Φ
max
) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào
mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức
là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức.
→ Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng
Φ
=
k
U
dm
o
ω
tăng, còn độ
cứng đặc tính cơ
( )
u
R
k
2
Φ
−=
β
giảm, ta
thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc
tính cơ tự nhiên.
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách
giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng
vượt quá mức giá trị cho phép nếu
mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho
dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ
thông thì ta phải giảm M
t
theo cùng tỉ lệ.
- Đặc điểm của phương pháp
+ Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
+ Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định
mức.
+ Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.
+ Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều
khiển với công suất không đổi.
M
Φ
đm
Φ
2
Φ
1
ω
o
ω
o1
ω
o2
ω
0
M
c1
M
c2
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
- Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển
+ Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự
nhiên.
+ Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn
trong dải điều chỉnh D = 3 :1
+ Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ
nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với Φ ≈ 1
+ Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên
tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với
dòng kích từ = (1 – 10)%I
đm
của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).
→ Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều
khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.
∗ Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
- Nguyên lý làm việc
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị
nguồn (máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều
khiển…)
Ở phương pháp này: U = var;
Φ
đm
= const; R
f
= 0
Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi
theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của
động cơ được giữ không đổi nên độ cứng
đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ
không tải lí tưởng ω
o
= U /k.Φ thay đổi
tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng.
Do đó ta thu được họ đặc tính mới
song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều khiển tốc
độ nằm dưới tốc độ định mức.
- Đặc điểm của phương pháp
+ Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp.
+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
+ Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều
chỉnh.
ĐTT
N
ω
0
ω
02
ω
01
ω
M
U
1
U
2
0
M
c
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
+ Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm
+ Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển.
+ Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì Φ và I
ư
đều
không đổi.
- Đánh giá chi tiêu điều khiển
+ Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự
nhiên)
+ Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên
tục.
+ Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1
→ Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động
cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một
chiều.
⇒ Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy
phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu
điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ
điện một chiều.
Các bộ biến đổi để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ
∗ Hệ thống F - Đ ( máy phát - động cơ)
Hệ thống F - Đ là một trong các phương án điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.
- Nguyên lý điều khiển
Theo sơ đồ thì động cơ Đ
1
biến đổi điện năng xoay chiều của lưới
thành cơ năng trên trục của nó rồi truyền sang trục của máy phát F, máy
phát F biến đổi cơ năng đó thành điện năng một chiều để cung cấp cho
động cơ Đ, động cơ một chiều chuyển thành cơ năng trên trục làm quay
máy sản xuất.
F
Đ
MF ĐC
MSX
Đ
1
∼
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
Để điều khiển tốc độ động cơ cần điều khiển điện áp đặt trên hai
đầu động cơ, thông qua sức điện động của máy phát: E = k
MF
.Φ.ω
MF
.
Khi máy phát F được quay với tốc độ ω
MF
cố định, sức điện động
của máy phát E
MF
phụ thuộc vào dòng kích từ I
kMF
theo luật đường cong
từ hóa: E
MF
= k
MF
.ω
MF
.
α.I
kMF
Xét phương trình đặc tính cơ:
( )
M
k
RR
I
k
k
DD
DMF
kMF
DD
MFMF
.
2
Φ
+
−
Φ
=
αω
ω
Ta thấy khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát ta điều
chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống:
kMF
DD
MFMF
o
I
k
k
.
Φ
=
αω
ω
còn độ cứng
đặc tính cơ:
( )
FD
DD
DF
RR
k
2
+
Φ
=
−
β
thì giữ nguyên.
Do đó các đường đặc tính cơ
là một họ đường thẳng song song.
Trong mạch lực của hệ
F - Đ không có phần tử phi
tuyến nào nên hệ có những
đặc tính động rất tốt, rất linh
hoạt khi chuyển các trạng thái
làm việc. Hệ F - Đ có các đặc
tính cơ điền đầy cả 4 góc phần
tư của mặt phẳng tọa độ.
- Đặc điểm của hệ F - Đ
+ Ưu điểm
Sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn.
Phạm vi điều chỉnh tăng (cỡ 30:1; chỉ khi dùng trong mạch kín).
Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh.
Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ.
Hệ điều chỉnh đơn giản.
+ Nhược điểm
Dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều,
gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất tải yêu cầu.
Vốn đầu tư cao, cồng kềnh tốn diện tích
ω
I
kMFđm
I
kMF 2
I
kMF 1
I
kMF
= 0
Đ
C
TS
Đ
N
Đ
C
TS
I
0
ω
o
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
Hiệu suất của hệ thấp ( không quá 75%)
Điều chỉnh sâu bị hạn chế
Hiện nay người ta có khuynh hướng thay thế hệ F - Đ bằng hệ thống CL - Đ
∗ Hệ thống CL - Đ một chiều
Hệ thống CL - Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn
điều áp một chiều. Khi nối nó vào mạch phần ứng
với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ
được hệ thống CL - Đ.
Khác với máy phát điện một chiều, bộ biến
đổi trực tiếp biến dòng xoay chiều thành dòng một
chiều không qua một khâu trung gian cơ học nào.
Hiện nay các Tiristo được dùng phổ biến để
tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu việt của
chúng: gọn nhẹ, tổn hao ít, tác động nhanh…
- Nguyên lý điều khiển
Động cơ điện một chiều nhận năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua
bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu biến đổi điện lưới xoay chiều thành điện một chiều
cấp điện cho phần ứng của động cơ điện một chiều.
Khi điều khiển góc mở của các Tiristo ( tức là Tirito chỉ được mở khi
điện áp anod dương hơn catod) ta điều khiển được điện áp phần ứng tức là
điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.
- Các chế độ làm việc
Chế độ dòng điện liên tục
Khi mômen tải tăng M
t
↑ thì dòng điện I
đc
↑ dẫn đến năng lượng
điện từ tăng. Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng
của cuộn dây lớn làm cho năng lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điện
đến thời điểm mở van kế tiếp.
Khi ở chế độ dòng điện liên tục, điện áp chỉnh lưu
U
CL
= U
do
.cosα .
Chế độ dòng điện gián đoạn
Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy và
xả năng lượng. Nếu dòng điện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn
dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ. Vì vậy khi điện áp của lưới nhỏ hơn
T
∼
Ư
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
sức điện động của động cơ, năng lượng của cuộn dây xả ra để đảm bảo
anod dương hơn catod không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện.
Lúc này, dòng điện qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn.
Chế độ biên liên tục
Khi chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn,
hệ sẽ phải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục.
+ Đặc tính cơ của hệ thống
Chế độ dòng điện liên tục
Phương trình đặc tính cơ:
Thay đổi góc điều khiển α = ( 0 - π),điện áp của chỉnh lưu biến thiên từ
U
do
– ( - U
do
) và ta được họ đặc tính song song nằm ở nửa bên phải của hệ trục
tọa độ {M, ω}. Những đặc tính đó không tồn tại ở nửa mặt bên trái là do các
van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều.
Khi đó tốc độ không tải lí tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển α
Và độ cứng đặc tính cơ:
( )
CL
dm
RR
k
+
Φ
=
¦
2
β
là không đổi.
→ Các đường đặc tính của hệ CL - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ
Chế độ dòng điện gián đoạn
Phương trình đặc tính cơ:
( ) ( ) ( )
( )
γλ
γλλγαγαγ
ω
g
gU
k
oom
dm
cotexp1
cotexpsinsin.cos
1
2
−
+−−
Φ
=
Khi làm việc ở chế độ dòng điện gián
đoạn, đường đặc tính cơ không là đường thẳng,
là đường cong có độ cứng thấp hơn.
Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là
đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục
và vùng dòng điện gián đoạn chính là tập hợp
các đường trạng thái biên {M
blt
; ω
blt
} khi thay
M
kk
RR
k
U
M
kk
RR
k
U
e
CL
e
do
e
CL
e
CL
.
.
cos.
.
2
2
Φ
+
−
Φ
=
Φ
+
−
Φ
=
µµ
α
ω
dme
do
o
k
U
Φ
=
.
cos.
α
ω
0
Biên liên tục
ω
ω
o1
ω
o2
I
blt
ω
blt
I
α = 0
α = π/2
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT
đổi góc α = ( 0 - π ) gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa
độ - đường cong nét đứt trên hình vẽ.
- Đặc điểm của hệ CL - Đ
+ Ưu điểm:
Độ tác động nhanh cao, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, hiệu suất lớn.
Có khả năng điều chỉnh trơn (γ ∼ 1) với phạm vi điều chỉnh rộng
( D ∼ 10
2
– 10
3
)
Có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải thiện
điều kiện làm việc của hệ.
+ Nhược điểm:
Khả năng linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, khả năng
quá tải về dòng và áp của các van kém.
Sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập mạch lớn gây tổn hao phụ
trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ
làm xấu điện áp nguồn.
Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất cosγ thấp nhất.
∗ Hệ thống băm áp động cơ
Bộ băm áp một chiều dùng để biến đổi trị số điện
áp, dòng điện một chiều dựa trên nguyên lý đóng ngắt
có chu kì nguồn điện một chiều.
- Nguyên lý điều khiển
Khi khóa K đóng dòng điện tăng làm tăng tốc độ
động cơ và tích lũy năng lượng điện từ cho điện cảm
trong mạch. Trong thời gian khóa cắt, năng lượng điện từ đã tích lũy sẽ
phóng qua V
o
để duy trì dòng điện phần ứng.
- Các chế độ làm việc
Chế độ dòng điện liên tục
Khi dòng và điện cảm trong mạch đủ lớn thì nănsg lượng điện từ đủ
duy trì dòng điện cho đến khi bắt đầu chu kì mới. Khi đó dòng phần ứng có
dạng liên tục.
Điện áp một chiều được điều chỉnh bằng bộ băm áp cung cấp cho
phần ứng của động cơ.
Điện áp môt chiều được băm với điện áp trung bình:
11
.UU
T
U
TB
γ
θ
==
V
o
Ư
K
+
-
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét