Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình, bài giảng cung cấp cho sinh viên ngành kỹ thuật điện - tự động hóa hiểu thêm về thế nào là truyền động điện, tính toán, thiết kế một hệ thống truyền động hoàn chỉnh. Giáo trình này hoàn toàn free, do vì máy tính hết dung lượng nên tạm up lên đây để lưu trữ :) .
Truyền Động Điện CHƢƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN I Khái niệm chung Cấu trúc chung hệ truyền động điện Hệ truyền động điện tập hợp thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, phục vụ choviệc biến đổiđiện năngthành cung cấp cho cấu chấp hành máy sản xuất đồng thời điều khiển trình biến đổi lượng Cấu trúc chung hệ thống truyền động điện trình bày Hình1.1, bao gồm phần chính: - Phần động lực biến đổi động truyền động Các biến đổi thường dùng biến đổi máy điện (máy phát chiều, xoay chiều), biến đổi điện từ (khuếch đại từ,cuộn kháng bão hòa), biến đổi điện tử (chỉnh lưu Thyristor, biến tần, Chopper…) Động điện có loại: động điện chiều, xoay chiều đồng bộ, không đồng loại động điện đặc biệt khác v.v… - Phần điều khiển gồm cấu đo lường, điều chỉnh thông số công nghệ, ngồi cịn có thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ cơng nghệvà cho người vận hành Ngồi cịn có số hệ truyền động có mạch ghép nối với thiết bị tự động khác dây chuyền sản xuất Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống truyền động điện Phân loại hệ thồng truyền động điện 2.1 Phân loại theo tính điều chỉnh Trang Truyền Động Điện Truyền động không điều chỉnh: thường có động nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản suất với tốc độ định (Hình 1.2) L1 L2 L3 N Ổ cắm Động ba pha Hình 1.2: Hệ truyền động khơng điều chỉnh Quạt mộ Đèn Truyền động có điều chỉnh: loại này, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo truyền động điều chỉnh vị trí Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh truyền động nhiều động cơ.Ngồi ra, tùy thuộc vào cấu trúc tín hiệu điều khiển ta có hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự truyền động điều khiển theo chương trình v.v…(Hình 1.3) Điều chế xung Tải Nguồn vào Biến tần điều chỉnh tốc độ Động AC Hình 1.3: Hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ 2.2 Phân loại theo đặc điểm động điện Truyền động điện chiều (dùng động điện chiều): Truyền động điện chiều sử dụng cho máy có yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ mơmen, có chất lượng điều chỉnh tốt Tuy nhiên, động điện chiều có cấu tạo phức tạp giá thành cao, địi hỏi phải có nguồn chiều (Hình 1.4) Trang Truyền Động Điện Board công suất Tốc độ động PWM Tốc độ đặt DIR Encoder Tốc độ hồi tiếp Hình 1.4: Hệ truyền động động chiều Truyền động điện không đồng (dùng động không đồng bộ):Động KĐB ba pha có ưu điểm có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha Trong năm gần đây, phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật công nghệ bán dẫn, đặc biệt linh kiện công suất, chế tạo thiết bị điều khiển có chất lượng điều chỉnh cao khởi động mềm, biến tần… nên động KĐB ứng dụng rộng rãi dần thay động chiều L1 L2 L3 N MCB 3P CB 1P Stop Start K1 K2 K3 Động khơng đồng ba pha Hình 1.5: Hệ truyền động động xoay chiều không đồng mở máy Y-∆ không điều chỉnh tốc độ Trang Truyền Động Điện Nguồn Biến tần Điện trở hãm Tải (cơ cấu chấp hành) Đai truyền động Động Hình 1.6: Hệ truyền động động xoay chiều không đồng có điều chỉnh tốc độ Truyền động điện đồng (dùng động điện xoay chiều đồng ba pha): Động điện đồng ba pha trước thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máy nghiền.v.v ) Rotor Stator Nam châm vĩnh cửu Dây quấn Inverter ba pha Bộ chỉnh lưu Động đồng nam châm vĩnh cửu Bộ chooper hãm Cảm biến vị trí Điều khiển dòng Tốc độ đặt Hiệu ứng Hall Điều khiển tốc độ Hình 1.7: Động đồng hệ truyền động điều khiển Truyền động điện servo động bước (dùng động servo AC DC): Đây truyền động hệ thống điều khiển vị trí xác máy cơng cụ CNC (máy tiện, máy phay, máy bào, máy cắt …) Trang Truyền Động Điện Động servo Động servo Trục khuỷu Vít truyền động Bàn trượt Hình 1.8: Bộ điều khiển truyền động điều khiển động servo 5V 1N4148 0.1uF 10K BC639 1N4148 Động bước 1,5K 0.01uF Reset A1 1N4148 A2 1,5K BC639 330 330 330 330 LED LED LED E B3 BC639 1N4148 PB3 PB2 LED BC639 PB1 B2 1N 4148 1,5K PB0 A3 B1 AVR 10K 1N4148 1N4148 BC639 1N4148 1,5K C B Hình 1.9: Truyền động điều khiển động bước 2.3 Một số phân loại khác: Ngồi cách phân loại trên, cịn có số cách phân loại khác truyền động đảo chiều không đảo chiều, truyền động động truyền động nhiều động cơ, truyền động quay truyền động thẳng, truyền động trực tiếp, truyền động gián tiếp, truyền động nhông truyền, truyền động đai Trang Truyền Động Điện Động Động Trục Động Bơm thẳng Khớp nối Bơm Động mềm Truyền động trực tiếp có khớp nối Trục Bơm thẳng Truyền động trực tiếp có Truyền động trực tiếp khớp nối Động Động Puly Khớp nối Curoa mềm Động Động Curoa Puly Truyền động gián Truyền động gián tiếp tiếp phức tạp đơn giản Curoa Puly Truyền động gián Truyền động gián tiếp tiếp phức tạp đơn giản Bơm Gối đỡ Puly Bơm Truyền động trực tiếp Khớp nối mềm Bơm Hình 1.10: Truyền động trực tiếp Curoa Khớp nối mềm Gối đỡ Bơm Bơm Hình 1.11: Truyền động gián tiếp Đai dẹt Đai chữ V Hình 1.12: Truyền động đai Truyền động dây xích Truyền động dây cáp Hình 1.13: Truyền động cáp xích Động Trục động Hộp số Hình 1.14: Truyền động nhơng Trang Nắp bảo vệ quạt làm mát động Truyền Động Điện Khớp nối Động F Bàn máy Trục vít Hình 1.15: Truyền động vít me II Khái niệm chung đặc tính Đặc tính tự nhiên đặc tính nhân tạo động Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mômen động M=f(ω) ω =f(M), bao gồm đặc tính tự nhiên đặc tính nhân tạo - Đặc tính tự nhiên động cơ, động vận hành chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ) Trên đặc tính tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, đm - Đặc tính cơnhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn nối thêm điện trở, điện kháng vào động Ngồi đặc tính cơ, động điện chiều người ta sử dụng đặc tính điện Đặc tính điện biểu diễn quan hệ tốc độ dòng điện =f(I) Để đánh giá so sách đặc tính cơ, người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính cơ tính: β= ∆M ∆ω (11) ω ∆ω1 β1 ∆ω2 β2 ∆M M Hình 1.16: Độ cứng đặc tính 0, Pc< Điện chuyển thành tổn thất P Hãm động năng: Pđ = 0, Pc< Cơ biến thành công suất tổn thất ∆P Bảng 1.1: Biểu diễn công suất trạng thái làm việc Trang 10 Truyền Động Điện R2 sth =- √R21 +X n2 (2-99) 3U12 Mth =- 2ω1 (R -√R21 +X n2 ) (2-100) 4.2 Hãm ngược: 4.2.1 Hãm ngược nhờ đóng điện trở phụ vào mạch rotor: (A)L1 (B)L2 (C)L3 CD ĐC K K Rf Hình 2.41: Sơ đồ nguyên lý hãm ngược động không đồng ba pha thêm điện trở vào mạch rotor Động làm việc tải năng, để thực hãm, ta đóng điện trở phụ có giá trị đủ lớn Rf vào mạch rơtor, động chuyển sang đường đặc tính với độ cứng giảm xuống, tốc độ giảm nhanh đổi dấu tăng dần theo chiều ngược lại Phương pháp áp dụng cho động rotor dây quấn truyền động cho tải Ví dụ cấu nâng-hạ, động nâng tải điểma với tốc độ a đường đặc tính (1) góc phần tư thứ I (Hình 2.40) Để dừng hạ tải xuống, đóng điện trở phụ có giá trị đủ lớn Rf vào mạch phần ứng, động chuyển sang làm việc điểm b tốc độ a đường đặc tính (2) với độ dốc lớn (độ cứng giảm xuống) Khi mơmen động MĐ = Mb < Mc nên động giảm tốc độ Tải nâng lên với tốc độ giảm dần Điểm làm việc động dịch từ b xuống c theo đặc tính (2) Tới c = 0, động dừng lại Nhưng trọng lượng kéo tải xuống ngược với chiều nâng tải ( < 0) Do mômen động sinh c MĐ < Mc nên động tiếp tục dịch chuyển theo đặc tính hãm từ c tới dtrong góc phần tư thứ IV Tại d MĐ= Mc, động quay ổn định với tốc độ d, hãm ghìm để hạ tải xuống Trang 56 Truyền Động Điện ω ω1 a b (1) ωth1 c ωd Mđm Mth M d (2) ωth2 Hình 2.42: Đặc tính động không đồng ba pha hãm ngược thêm điện trở phụ vào mạch rotor Ở chế độ này, mômen tải trọng ngun nhân làm hạ tải, cịn mơmen động sinh mômen gây cản trở chuyển động hạ tải xuống nên ngược chiều với tốc độ Động làm việc chế độ máy phát điện 4.2.2 Hãm ngược cách đảo chiều quay động cơ: K1 K1 K1 M ĐC M KK2 S1 K2 S2 S3 S4 S5 M ĐC a)a) b) ~ a) ~ ~ Hình 2.43: Sơ đồ nguyên lý hãm ngược động không đồng ba pha đảo chiều từ trường quay a) Sử dụng tiếp điểm b) Sử dụng linh kiện bán dẫn Hãm ngược cách đảo chiều quay động thực thông qua việc đảo thứ tự hai ba pha cấp nguồn cho pha dây quấn stator để đảo chiều từ trường quay, tải động tải phản kháng Mc Mc Đ ω ω MĐ MĐ Đ ω1 b” b’ b ω a ωa c’ - Mth c -Mc Mc MĐ Đ ω c” Mc d’ -ωd’ d -ωd Mth M -ω1 Hình 2.44:Đặc tính động khơng đồng ba pha hãm ngược đảo chiều từ trường quay Trang 57 Truyền Động Điện Giả sử, động rotor dây quấn làm việc với tải có mơmen phản kháng điểm a đặc tính tự nhiên (1) (Hình 2.42) Để hãm ngược, ta đảo chiều quay động (nhờ đảo thứ tự cấp nguồn cho dây quấn stator) Do quán tính cơ, động chuyển điểm làm việc từ a đặc tính (1) sang b đặc tính (2) với tốc độ a, giảm tốc đặc tính (2) Tới điểm c Đ = 0, lúc cắt nguồn cung cấp động dừng Đoạn bc đặc tính hãm ngược (MĐ< 0, Đ> 0) Nếu khơng cắt nguồn Đ = mơmen động có giá trị lớn mơmen cản MĐ>MC nên động lại mở máy quay ngược bắt đầu tăng tốc theo đặc tính (2) góc phần tư thứ III để đến làm việc điểm d với tốc độ d ngược chiều với tốc độ trước hãm Vì tải có tính phản kháng, hệ thống làm việc ổn định d Nhằm làm mềm đặc tính hãm để tăng cường mơmen hãm (sao cho Mh≈ 2,5Mđm) hạn chế dòng điện rotor, song song với trình hãm ta đưa thêm điện trở phụ Rf có giá trị đủ lớn vào mạch rotor (đối với động rotor dây quấn), q trình hãm động trường hợp (2) diễn theo đặc tính (3) Trường hợp điện trở phụ Rf lớn, động thực hãm ngược đặc tính (4) q trình hãm kết thúc điểm c’’, mơmen động nhỏ mômen cản |MĐ| < |MC|, động tăng tốc chạy ngược Giá trị điện trở phụ xác định giá trị theo giá trị dòng điện hãm ban đầu b’hoặc b’’ Độ trượt rotor thời điểm xảy hãm ngược: ω1 + 𝜔 𝜔 shn = =1+ ω1 ω1 Mô men hãm ngược: U1f (𝑅 +𝑅 ) Mhn = shn ω1 [𝑅 + (𝑅 +𝑅 )] + 𝑋 (2-101) (2-102) (2-101) 4.3 Hãm động Giống động chiều, động khơng đồng có trạng thái hãm động hãm động kích từ độc lập hãm động tự kích từ 4.3.1 Hãm động kích từ độc lập Trạng thái hãm động kích từ độc lậpxảy động làm việc, ta cắt mạch stator động khỏi lưới điện xoay chiều đóng vào nguồn chiều để tạo từ trường không đổi stator (Từ trường điều chỉnh giá trị cách thay đổi dịng kích từ nhờ Rf (Hình 2.45) Rotor động quán tính tiếp tục quay theo chiều cũ,nên dẫn rotor cắt ngang từ trường đứng yên sinh sức điện động cảm ứng e2 Trang 58 Truyền Động Điện (A)L1 c (B)L2 (C)L3 K H Rf + - H ĐC Hình 2.45:Sơ đồ nguyên lý hãm động kích từ độc lập động khơng đồng ba pha Do rotor kín mạch nên xuất dòng điện i2 chạy rotor Chiều dòng điện i2 sức điện động e2 xác định theo quy tắc bàn tay phải Dòng điện cảm ứng lại tương tác với từ trường chiều sinh lực điện từ ngược chiều quay rotor tạo thành mômen hãm làm tốc độ rotor giảm nhanh Phần động cịn lại chuyển hóa thành điện tiêu thụ tổng trở mạch rotor (bao gồm điện trở dây quấn rotor điện trở nối thêm vào mạch rotor (nếu có) ω b2 b1 b ω1 a (1) (4) (3) (2) ωth2 ωth1 -Mth2 -Mth1 ωơđ Mđm c M Mth Hình 2.46: Đặc tính hãm động kích từ độc lập động không đồng ba pha Giả sử trước hãm, động làm việc điểm a đặc tính (1) (Hình 2.46), hãm động tải có tính phản kháng mơmen hãm ban đầu nhỏ, động chuyển sang làm việc điểm b đặc tính (2) góc phần tư thứ II, lượng động tiêu hao nhanh chóng, nên tốc độ giảm nhanh đoạn bO (đặc tính hãm) O Ngược lại, tải có tính mơmen hãm ban đầu có giá trị lớn hơn, động bắt đầu trình hãm điểm b1trên đặc tính (3) Vì mơmen âm nên tốc độ động giảm đoạn b’O, O, tốc độ 0,trọng lượng tải kéo động quay ngược theo đoạn đặc tính (3) góc phần tư thứ IV, động tăng tốc theo chiều ngược lại điểm c có mơmen động cân với mômen tải ổn định tốc độ (ơđ) (q trình hãm ghìm hạ tải xuống đều) Điện trở phụ mạch rotor dịng kích từ chiều cấp cho stator lúc hãm động có ảnh hưởng định tới hình dạng đặc tính hãm Trên Hình Trang 59 Truyền Động Điện 2.44, đặc tính hãm (2) (3) có giá trị điện trở hãm mạch rotor (Rh2 = Rh3) dịng kích từ có giá trị khác (Ikt2 < Ikt3) Các đặc tính hãm (3) (4) có dịng kích từ (Ikt3 = Ikt4) khác giá trị điện trở hãm mạch rotor (Rh3 < Rh4) Xác định dòng điện dc mơmen hãm động năng: Để xác định dịng điện dc mơmen hãm, ta sử dụng phương pháp quy đổi tương đương sức từ động Tức cuộn dây stator nối vào nguồn chiều ta xem đấu vào nguồn xoay chiều có giá trị dòng điện stator I Điều kiện đẳng trị sức từ động dòng chiều sinh (Fmc) sức từ động dòng điện xoay chiều đẳng trị sinh (Fxc) Fmc = Fxc (2-103) 𝐹 = √2W I (2-104) 𝐹 = aW I a: Là hệ số phụ thuộc vào sơ đồ mạch đấu dây hãm động (thể Hình 2.45) W1Imc W1Imc 300 Fmc W1Imc 60 W1Imc W1Imc 2/3 W1Imc 300 Fmc Fmc Fmc 1/3 W1Imc ½ W1Imc ½ W1Imc 600 W1Imc Fmc 600 1/3 W1Imc ½ W1Imc ½ W1Imc Hình a) b) c) d) e) Điện trở 2R1 3R1 R1 1.5R1 0.5R1 2√2 √2 √2 √6 3 √3 Hình 2.45: Các sơ đồ hãm động kích từ độc lập động khơng đồng ba pha Từ (2-98) (2-99) ta có: Hệ số A √2 Trang 60 Truyền Động Điện √2W I = aW I a I = I = AI √2 √2 (2-105) a Như từ phương trình (2-100) ta cần xác định hệ số A Từ tính dịng →A= điện chiều (Imc) để chọn công suất biến áp linh kiện chỉnh lưu nguồn hãm động theo tùy theo cơng suất động (Hình 2.46) Lưu ý: Điện áp U- = (0.2 0.5)Uph (A)L1 (B)L2 (C)L3 (N)N BA Rf K H CL + - H ĐC Hình 2.46: Sơ đồ nguyên lý hãm động động không đồng ba pha dùng biến áp chỉnh lưu Ví dụ tính tốn hệ số A Hình 2.45: - Hình a: Ta có sức từ động tổng chiều sau: F =WI → A= - √ os 30 + W I √3 = os 30 = √3 WI = √3 W I √ √ Hình b: F =WI → A= √ + 2W I = os 60 = 2W I √ Tương tự tính cho hình c; d; e Ở trạng thái hãm động kích từ độc lập dịng điện chiều khơng đổi nên dịng điện xoay chiều đẳng trị không đổi, nguồn cấp cho stato nguồn dòng Trang 61 Truyền Động Điện Mặt khác, tổng trở mạch rotor thay đổi theo tốc độ nên dịng I’2 dịng từ hóa Im thay đổi theo jX’2 I’2 R’2/s I0 jXm I1 Hình 2.47: Sơ đồ thay tương đương hãm động kích từ độc lập Gọi S = İ′ = İ X + jX hay I′ = I X S √(R ) + (SX ) (2-100) Ta có đồ thị vectơ dòng điện sau: Xét tam giác OAB ta có: OB2 = OA2 + BA2 hay 𝐼 = (𝐼 + 𝐼 𝑠𝑖𝑛𝜑) + (𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜑) X S sinφ = √(R ) + (SX ) (2-106) (2-107) Từ (2-102) ta có: 𝐼 = 𝐼 + 2𝐼 𝐼 𝑠𝑖𝑛𝜑 + (𝐼 𝑠𝑖𝑛𝜑) + (𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜑) 𝐼 = 𝐼 + 2𝐼 𝐼 𝑠𝑖𝑛𝜑 + 𝐼 Từ (2-100) đến (2-104) ta có: I = I √1 + →I =I 2X X S X S + (R ) + (SX ) (R ) + (SX ) √(R ) + (SX ) √(R ) + (SX ) + 2X X S +X S Trang 62 (2-108) (2-109) (2-110) Truyền Động Điện =I √(R ) + (SX ) (2-111) √(R ) + S (X + X ) Thay (2-107) vào (2-101) ta có: I′ = I X S (2-112) √(R ) + S (X + X ) Theo Hình 2.44 trình hãm xảy góc phần tư thứ II nên Mhđn< có giá trị là: M =− I′ R hay M ω S =− I X SR ω (R ) + S (X + X ) (2-113) Bằng cách lấy đạo hàm theo biến S, ta xác định độ trượt Shth, mơmen hãm cực đại: S =− R X +X M =− I X 2ω (X + X ) (2-114) 4.3.2 Hãm động tự kích từ Trong phương pháp hãm động kích từ độc lập, từ trường lúc hãm tạo nhờ nguồn chiều độc lập bên có giá trị khơng đổi Cịn phương pháp hãm động tự kích từ, từ trường lúc hãm tạo từ lượng động tích lũy chuyển động biến đổi thành điện (tạo dòng điện cảm ứng xoay chiều phần ứng qua chỉnh lưu thành dòng chiều) cấp cho mạch kích từ Do đó, tốc độ động giảm sức điện động cảm ứng giảm theo làm cho từ trường hãm biến thiên giá trị suy yếu nhanh khiến cho trình hãm thiếu hiệu L1 L2 L2 L3 L3 L1 H H H H M ĐC 3~ R Rf f Ir Ir Hình 2.48: Sơ đồ nguyên lý hãm động tự kích từ Trang 63 Truyền Động Điện 4.3.3 Hãm động tụ điện Trong kỹ thuật, động không đồng công suất nhỏ người ta sử dụng phổ biến phương pháp hãm động tụ điện nhằm kết thúc nhanh chuyển động rotor, rút ngắn hành trình hãm, nâng cao độ xác dừng Đây phương pháp cho hiệu hãm tốt phương pháp hãm nêu Hình 2.48 trình bày sơ đồ nguyên lý kết nối mạch động hãm động tụ điện Trong sơ đồ kết nối này, tụ điện nối hình mắc song song với động Khi động làm việc với tốc độ tốc độ a điểm a đặc tính làm việc (1) (Hình 2.49), tụ điện C nhận lượng trực tiếp từ nguồn vàtự động tích nạp đầy điện tích Khi động cắt khỏi lưới điện tụ điện thực trình phóng điện qua dây quấn stator tạo từ trường quay stator động với tốc độ không tải lý tưởng ’1 thấp nhiều so với tốc độ làm việc avà tốc độ không tải lý tưởng 1 đặc tính (1) Bởi a>’1 nên động chuyển sang trạng thái hãm tái sinh điểm b đường đặc tính (2) giảm nhanh tốc độ theo đường để xuống đến giá trị ’1 L L2 L L3 L L1 K K C C C M ĐC 3~ H HH H R Rf f Hình 2.49: Sơ đồ nguyên lý hãm động tự kích từ dùng tụ điện Trang 64 Truyền Động Điện ω b' ω1 b a ωlv (1) (2) (3) ω'1 ω''1 M Mh2 Mh1 (Mh2>Mh1) Mc Mth Hình 2.50:Đặc tính hãm động tự kích từ dùng tụ điện Trị số điện dung tụ điện lớn mơmen hãm ban đầu lớn, tốc độ không tải lý tưởng ’1 nhỏ (như trường hợp đường đặc tính (3) Hình 2.50), q trình hãm có xu hướng kéo nhanh tốc độ động hạ xuống giá trị thấp (’’1