Chương 1 download by : skknchat@gmail.com 3 TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC 1. Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều Trong các dây truyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp luôn có các máy sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải có nhiều cấp tốc độ tùy theo công tác sản xuất mà để điều chỉnh tốc độ cho phù hợp với quy trình công nghệ và phải đảm bảo mô men yêu cầu của hệ thống. Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cơ cấu truyền động bằng cơ khí của máy như tỷ số truyền hoặc thay đổi tốc độ động cơ truyền động Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là thay đổi tốc độ động cơ để phù hợp với yêu cầu sản xuất muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta phải dựa vào nhiều yếu tố nguồn điện, tải, trong mỗi một yếu tố này thay đổi thì tốc độ động cơ đều thay đổi ứng với mỗi yếu tố ta có một phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ tương ứng. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ [1] Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện: 1.
Hướng điều chỉnh tốc độ Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên. Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh) download by : skknchat@gmail.com 4 Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/nmin. Trong đó: - nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học và phương pháp điều chỉnh tốc độ. - nmin: Được giới hạn bởi khả năng làm việc khi tải dao động trong phạm vi cho phép, nó liên quan mật thiết đến độ dốc của đặc tính cơ.
Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ Độ cứng: = M/n. Khi càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ nghĩa là độ ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ.
Hay nói cách khác càng lớn thì càng tốt. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc độ được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau: = ni/ni+1 Trong đó: - ni: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i. - ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).
Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị mô men nào đó. download by : skknchat@gmail.com 5 tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp. 1: Hệ thống điều chỉnh có cấp.
Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc của động cơ là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphu ở mức thấp nhất. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau. Một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều 1.
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, mô men sẽ không thay đổi. Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập. Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu. download by : skknchat@gmail.com 6 - Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb.
- Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh có phạm vi điều chỉnh rộng, có khả năng điều chỉnh trơn khi sử dụng BBĐ hợp lý, phù hợp nhất với tải có đặc tính tải: mô men tải bằng hằng số là loại hay gặp trong đa số các thiết bị công nghiệp. - Nhược điểm: Công suất của BBĐ để điều chinh điện áp cấp cho mạch phần ứng động lớn (tương đương công suất động cơ trở lên) nên vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành cao. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M = KMIư và sức điện động quay của động cơ: Eư = KEn. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên giá trị định mức.
Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van… Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng điện kích từ IKT sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức.
Ta thấy lúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n = U/KE. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. download by : skknchat@gmail.com 7 Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vô cùng. Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất: nmax = 3ncb tức phạm vi điều chỉnh: D = nmax/ncb = 3/1.
Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều chỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc độ cho phép. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb.
Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho truyền động chính máy tiện khi yêu cầu phạm vi điều chỉnh hẹp hoặc ở vùng tốc độ cao của các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên BBĐ yêu cầu công suất nhỏ, tổn thất năng lượng ít. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 ta đóng thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng Iư giảm làm cho mô men động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n2 với n2 > n1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb.
Trên thực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh này là có cấp. download by : skknchat@gmail.com 8 Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh: D = ncb/nmin . Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm việc ở tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%.
Cho nên, để đảm bảo tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh: D = ( 2 3):1. Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện ngắn mạch In và mô men ngắn mạch Mn cũng giảm. Do đó, phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản.
Mặt khác với việc tăng điện trở phụ làm tăng độ dốc đặc tính cơ nên độ ổn định tốc độ khi tải thay đổi kém, không dùng cho các hệ thống yêu cầu độ ổn định tốc độ cao. - Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb. - Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép.