CHƯƠNG I: CƠ SỞ CHUNG 1—KHÁI NIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Một hệ truyền động là một hệ thống công nghiệp thực hiện biến đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ (ở chế độ động cơ) hay ngược lại ở chế độ hãm máy phát phục vụ việc chạy các quy trình sản xuất khác nhau như là: các nhà máy sản xuất, vận chuyển người và hàng hóa, các đồ dùng trong nhà, các máy bơm, các máy nén khí, truyền động cho ổ đĩa máy tính, các rôbốt, các máy nghe nhạc, xem phim .v… Ngày nay, truyền động điện tiêu thụ khoảng 50% năng lượng điện sản xuất được. Các hệ truyền động có thể chạy t Một hệ truyền động là một hệ thống công nghiệp thực hiện biến đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ (ở chế độ động cơ) hay ngược lại ở chế độ hãm máy phát phục vụ việc chạy các quy trình sản xuất khác nhau như là: các nhà máy sản xuất, vận chuyển hay đổi tốc độ hoặc chạy với tốc độ không đổi. SVTH: Nguyễn Lê Mạnh Hùng Trang 1 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Thiên Duy Truyền động điện tốc độ thay đổi có động cơ điện (dòng điện xoay chiều), bộ ghép nối đàn hồi, tải cơ khí (máy sản xuất) và hệ thống bảo vệ và đóng / mở bằng cơ điện hay điện tử.
Ngày nay gần (75-80)% truyền động điện vẫn còn là loại truyền động ở tốc độ không đổi vì không có nhiều ứng dụng yêu cầu đến điều khiển tốc độ ngoại trừ trường hợp lúc khởi động, ngừng và trong hoạt động bảo vệ. Tuy nhiên còn khoảng (20-25)% cần đến điều khiển tốc độ và mô men sao cho thích hợp với phụ tải cơ khí. Các bộ biến đổi điện tử tỏ ra có nhiều đặc trưng mạnh trong việc thay đổi và duy trì mức năng lượng cung cấp thích hợp với loại phụ tải cần đến điều khiển tốc độ hay mômen như : má công cụ, rôbốt, truyền động cho đĩa máy tính, các phương tiện chuyên chở, v.v… Về cấu trúc, một hệ thống truyền động điện nói chung, bao gồm các khâu: 1.1 Bộ biến đổi: dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại), biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số,v. Các bộ biến đổi thường dùng là máy phát điện, hệ SVTH: Nguyễn Lê Mạnh Hùng Trang 2 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS.
Phạm Thiên Duy máy phát—động cơ (hệ F-Đ), các chỉnh lưu có điều khiển và không điều khiển, các bộ biến tần,v.2 Động cơ điện: dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm điện). Các động cơ điện thường dùng là: − Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ rotor lồng sóc hay dây quấn; − Động cơ điện một chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu; − Động cơ điện xoay chiều ba pha có cổ góp; − Động cơ đồng bộ… 1.3 Khâu truyền lực: dùng để truyền lực từ trục động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phù hợp về tốc độ, mô men, lực. Để truyền lực có thể dùng các bánh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ghép nối đàn hồi….4 Cơ cấu sản xuất hay máy sản xuất: thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng—hạ tải trọng, dịch chuyển…) 1.5 Khối điều khiển: là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi, động cơ điện, cơ cấu truyền lực. Sử dụng trong khối này có thể là các khí cụ đóng cắt mạch có tiếp điểm (các relay, contactor) hay không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn), các bộ khuyếch đại, các bộ điều chỉnh (regulator), các máy tính, các bộ vi xử lí (microprocessor), các bộ điều chỉnh theo chương trình, CPU, PLC, CNC….
Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang…. Một hệ thống truyền động điện không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu như đã nêu. Tuy nhiên, một hệ truyền động điện bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính: − Phần lực: bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện. − Phần điều khiển.
Một hệ truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi, được gọi là hệ kín khi có phản hồi nghĩa là đại lượng đầu ra được đưa trở lại đầu vào dưới dạng một tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển sao cho đại lượng đầu ra đạt một giá trị mong muốn nào đó. 2—PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Một sơ đồ tóm tắt chỉ ra các ứng dụng chủ yếu và giới hạn công suất SVTH: Nguyễn Lê Mạnh Hùng Trang 3 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Thiên Duy các dạng truyền động điện chính như sau: Các ứng dụng như bơm trữ cho nhà máy thuỷ điện bằng các tổ máy được chế tạo có công suất 100MW hoặc hơn nữa. Mức độ vận hành cao trong hình 3, có ý nghĩa rằng hệ thống truyền động này đòi hỏi phải đạt được đáp ứng tốc độ hay điều khiển vị trí một cách nhanh chóng, chính xác và phạm vi điều chỉnh rộng.
Cùng với sự phát triển của lĩnh vực điện tử, các bộ biến đổi điện tử công suất, đã tạo một sự chuyển dịch lớn trong thị trường truyền động. Các động cơ một chiều có chổi than tốc độ thay đổi được sử dụng từ nhiều thập kỷ trước nhưng tới nay các động cơ loại xoay chiều với nhiều ưu điểm của mình đang thay thế dần cho nó. Các bộ truyền động động cơ xoay chiều và bộ biến đổi điện tử tỏ ra bền, rẻ hơn và khả năng vận hành tương đương, đặc biệt là các ứng dụng điều khiển chuyển động có tính thuận nghịch. SVTH: Nguyễn Lê Mạnh Hùng Trang 4 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS.
Phạm Thiên Duy Các bộ biến đổi điện tử công suất dành cho các loại động cơ một chiều có chổi than hoặc không chổi than cũng được nghiên cứu và đưa ra cho các ứng dụng với giá cả hợp lý. Mức chi phí cho bộ biến đổi điện tử công suất thường luôn cao hơn chi phí của động cơ khoảng từ hai đến năm lần, nói chung thì giới hạn công suất của hệ truyền động càng lớn thì sự chênh lệch giá giữa hai thành phần này giảm hơn. Lý do của việc dùng bộ biến đổi điện tử công suất cho dù giá của nó lớn hơn của động cơ vì trong hầu hết các ứng dụng có tính lâu dài việc tiết kiệm được năng lượng sản xuất giúp thu hồi khoảng chi phí thêm cho bộ biến đổi điện tử công suất, giả sử định mức công suất sử dụng khoảng hơn 10kW, nếu xem mức tiết kiệm năng lượng có được nhờ sử dụng bộ biến đổi chỉ 25%, phạm vi điều chỉnh tốc độ chừng một đến ba lần và hoạt động liên tục 24/24 giờ/ngày thì khoảng thời gian thu hồi vốn chừng chưa tới năm năm. Giới hạn sử dụng công suất càng lớn thì thời gian quay vòng vốn càng nhanh do việc tiết kiệm năng lượng tỏ ra càng hiệu quả.
Các tính toán chi tiết xin xem chi tiết trong tài liệu chuyên đề. Vai trò của hệ truyền động trong thực tế là điều khiển mô men động cơ phù hợp với mômen tải và với lưới điện nguồn cung cấp khi xác lập. Các quan hệ của mô men tải có thể được diễn đạt bằng một trong các quan hệ sau : • Mô men / tốc độ quy về đầu trục động cơ; SVTH: Nguyễn Lê Mạnh Hùng Trang 5 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Thiên Duy • Hay mô men / thời gian và Tốc độ / thời gian; • Hay quan hệ vị trí / thời gian.
Còn quá trình quá độ, bộ truyền động thể hiện vai trò nó bằng cách điều khiển vòng kín, trong đó tín hiệu đầu ra được đưa trở lại tín hiệu đầu vào so sánh với tín hiệu đặt và lấy sai lệch làm tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi…nhằm duy trì đầu ra theo yêu cầu. 3—PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Có nhiều phân loại hệ truyền động điện: 3.1) Phân loại theo số lượng động cơ sử dụng: chia ra 3 loại − Truyền động nhóm: dùng một động cơ điện để kéo một nhóm gồm nhiều máy sản xuất. − Truyền động đơn: dùng một động cơ điện để kéo toàn bộ một máy. − Truyền động nhiều động cơ: trường hợp này máy sản xuất có các chuyển động thành phần của nó do một động cơ riêng đảm nhận.
Hình thức này được sử dụng khá phổ biến.2) Phân loại theo đặc điểm chuyển động : − Chuyển động quay; − Chuyển động thẳng.3) Phân loại theo chế độ làm việc: − Làm việc liên tục; − Làm việc gián đoạn.4) Phân loại theo chiều quay động cơ: − Truyền động có đảo chiều; − Truyền động không đảo chiều.5) Phân loại theo dòng điện: − Truyền động điện xoay chiều: dùng động cơ điện xoay chiều; − Truyền động điện một chiều: dùng động cơ điện một chiều.6) Phân loại dựa theo sự thay đổi thông số điện: − Truyền động không điều chỉnh: nối thẳng động cơ vào nguồn và kéo máy sản xuất với một tốc độ không đổi. Thay đổi xuất hiện chỉ là do nhiễu từ bên ngoài; − Truyền động có điều chỉnh: công nghệ quy trình sản xuất đòi hỏi phải có điều chỉnh tốc độ, vị trí hay mômen. Thông số điện của hệ thay đổi được nhờ các thiết bị điều khiển.7) Phân loại theo thiết bị biến đổi: − Hệ máy phát—động cơ: (ký hiệu: F-Đ), động cơ một chiều được cấp điện từ một máy phát điện một chiều (bộ biến đổi ở đây là máy phát). SVTH: Nguyễn Lê Mạnh Hùng Trang 6 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS.
Phạm Thiên Duy − Thuộc hệ truyền động này có hệ máy điện khuyếch đại—động cơ (ký hiệu: MĐKĐ-Đ). Trong đó, bộ biến đổi ở đây là MĐKĐ; − Hệ chỉnh lưu—động cơ: (ký hiệu: BCL-Đ), động cơ một chiều được cấp điện từ một bộ chỉnh lưu (BCL). Chỉnh lưu có thể không điều khiển (chỉnh lưu diode) hay có điều khiển (chỉnh lưu Thyristor: hệ T-Đ). 4—PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 4.
Hệ thống chuyển động tịnh tiến: Theo định luật II Newton, nếu xem khối lượng vật chuyển động là không đổi, ta có phương trình: dv FĐ + FC = Fa = ma = m (I.