Phần I Khái quát nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng. I. Khái niệm chung: * Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều đ-ợc sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ một chiều. Động cơ điện một chiều đ-ợc dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện .). * Động cơ điện một chiều đ-ợc phân loại theo cách kích thích từ : + Động cơ điện kích thích độc lập. + Động cơ điện kích thích song song. + Động cơ điện kích thích hỗn hợp. Trên thực tế, đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song song hầu nh- giống nhau, nh-ng khi cần công suất lớn ng-ời ta th-ờng dùng động cơ kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích đ-ợc thuận lợi và kinh tế hơn, mặc dù loại động cơ này đòi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên ngoài. Ngoài ra, khác với ở tr-ờng hợp máy phát kích thích nối tiếp , động cơ điện kích thích nối tiếp đ-ợc dùng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng điện. *Nh-ợc điểm chủ yếu của máy điện một chiều là cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi tr-ờng dễ nổ. Khi sử dụng động cơ một chiều, cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh l-u hay máy phát điện một chiều). * Về ph-ơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều -u điểm hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời đạt chất l-ợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính: + Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuyếch đại. + Bộ biến đổi điện từ: khuyếch đại từ. + Bộ biến đổi chỉnh l-u bán dẫn: chỉnh l-u tiristor . + Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristor hoặc tranzitor . T-ơng ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi có các hệ truyền động : + Hệ truyền động máy phát - động cơ. + Hệ truyền động máy khuyếch đại - động cơ. + Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ. + Hệ truyền động chỉnh l-u tiristor - động cơ. + Hệ truyền động xung áp - động cơ. II. Ph-ơng pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng: Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nh- máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh l-u điều khiển . Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng l-ợng xoay chiều thành một chiều có sức điện động E b điều chỉnh đ-ợc nhờ tín hiệu điều khiển U đk . Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong R b và điện cảm L b khác không. BBĐ Đ U dk LK a) R b I R ud E b (U dk ) U E u b) Hình 1. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập. ở chế độ xác lập có thể viết đ-ợc ph-ơng trình đặc tính của hệ thống nh- sau: E b - E - = I - (R b +R -đ ) dm b . K E - dm udb . K RR I - 0 (U đk ) - M Vì từ thông của động cơ đ-ợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý t-ởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U đk của hệ thống, do đó có thể nói ph-ơng pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng đ-ợc giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: max = 0max - M dm min = 0min - M dm Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: M nmmin = M Cmax = K M .M đm trong đó K M là hệ số quá tải về mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đ-ờng thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: min =(M nmmin -M đm ) M 1 dm (K M -1) D = 1K 1 M /1)M(K M M dm 0max dm M dm 0max M n m min M đm M,I 0 0max max 0min min đk1 đki Hình 2. Xác định phạm vi điều chỉnh. Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0max , M đm , K M là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ đ-ợc: 0max /M đm 10. Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không v-ợt quá 10. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là nh- nhau, do đó độ sụt tốc t-ơng đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không v-ợt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số t-ơng đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là : s = 0min0min min0min s = M 0min dm s cp Vì các giá trị M đm , 0min , s cp là xác định nên có thể tính đ-ợc giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không v-ợt quá giá trị cho phép. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ đ-ợc giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi : M c.cp = KI đm = M đm Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đ-ờng thẳng = đm , M =M đm và các trục toạ độ. Tổn hao năng l-ợng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ. E b = E - + I - (R b +R -đ ) I - E b = I - E - + I - 2 (R b +R -đ ) Nếu đặt R b +R -đ = R thì hiệu suất biến đổi năng l-ợng của hệ sẽ là: 2 dm 2 u u u uu u K MR RI E I EI u = *** * RM Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trên trục: M * =M * C và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là: M * C =( * ) x 1x * * * * u . R đm M đm u x=-1 x=0 0 1 0 1 Hình 3. Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong tr-ờng hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì nh- vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ. . mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời đạt chất l-ợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều. thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: min =(M nmmin -M đm ) M 1 dm (K M -1) D = 1K 1 M /1) M(K M M dm 0max