Đặt vấn đề Một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều phần tử cơ khí cấu tạo nên, chúng chuyển động với các tốc độ khác nhau tạo thành một sơ đồ động học phức tạp. Các mômen và lực tác động lên hệ thống có các điểm đặt khác nhau. Vì vậy muốn tính chọn được công suất của động cơ hay viết các phương trình cân bằng lực,. ta phải quy đổi các đại lượng này về trục động cơ.
Mômen và lực qui đổi Quan niệm về sự tính toán qui đổi như việc dời điểm đặt từ trục này vể trục khác của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát trong bộ truyền lực. Thường qui đổi mômen cản Mc (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ. Điều kiện qui đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ hệ truyền động điện.1: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ Số 1 động cơ điện Số 2 hộp tốc độ Số 3 tang trống quay Số 4 tải trọng + Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất: Ptr = Pc +P Trong đó: Ptr công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.đ Mcqđ mômen cản tĩnh qui đổi đ tốc độ góc trên trục động cơ Pc công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv.lv Mlv mômen cản trên trục làm việc lv tốc độ góc trên trục làm việc 10 P tổn thất trong các khâu cơ khí * Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay: P M . Ptr c lv lv M cqđ .lv M lv Rút ra: M cqđ i .i i hiệu suất hộp tốc độ đ i gọi là tỉ số truyền của hộp tốc độ lv * Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực qui đổi: Flv M cqđ .i hiệu suất bộ truyền lực t hiệu suất của tang trống đ gọi là tỉ số qui đổi vlv + Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc - P (Tương tự như khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất) c. Qui đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính Điều kiện qui đổi: bảo toàn động năng tích lũy trong hệ thống n W Wi 1 1 Chuyển động quay: W J . 2 2 1 Chuyển động tịnh tiến: W m.v 2 2 đ2 đ2 n i2 q v 2j Ta có: J qđ Jđ Ji mj 2 2 1 2 1 2 n J q m Suy ra: J qđ J đ 2i 2j 1 ii 1 j Trong đó: Jqđ mômen quán tính qui đổi về trục động cơ đ tốc độ góc trên trục động cơ Jđ mômen quán tính của động cơ Ji mômen quán tính của bánh răng thứ i 11 mj khối lượng của tải trọng thứ j đ i tỉ số truyền tốc độ từ trục i đ tỉ số qui đổi vận tốc của tải trọng vj III.
Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ 1. Đặc tính cơ của máy sản xuất Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất: Mc = f() Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát: M c M co ( M đm M co )( ) đm Trong đó: Mc mômen ứng với tốc độ Mco mômen ứng với tốc độ =0 Mđm mômen ứng với tốc độ định mức đm Hình 1.2: Đặc tính cơ của một số máy sản xuất Ta có các trường hợp số mũ ứng với các tải: + Khi = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu hình máy tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy,… (đường 4). Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (lực cản) càng lớn. + Khi = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải,… (đường 1).
+ Khi = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy bào, máy phát một chiều tải thuần trở,… (đường 2). 12 + Khi = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạt gió, máy nén,… (đường 3). Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác như: mômen phụ thuộc vào góc quay, mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi, mômen phụ thuộc vào thời gian. Đặc tính cơ của động cơ Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: M = f() Thường phân biệt 2 loại đặc tính cơ: a.
Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như của động cơ là định mức. Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên. Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được khi có sự thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo.
Độ cứng đặc tính cơ: đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái M M niệm “độ cứng đặc tính cơ” và được tính: , nếu đặc tính cơ tuyến tính thì: + Động cơ không đồng bộ có độ cứng đặc tính cơ thay đổi giá trị (> 0, < 0). + Động cơ đồng bộ có đặc tính cơ tuyệt đối cứng ( ). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng ( 40). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm ( 10).
Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại. Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của hệ truyền động điện. Có thể lập Bảng 1-1: TT Biểu đồ công suất Pđiện Pcơ P Trạng thái làm việc 1 0 =0 = Pđ - Động cơ không tải 13 2 0 >0 = Pđ - P c - Động cơ có tải 3 =0 <0 =Pc - Hãm không tải 4 <0 <0 =Pc - Pđ - Hãm tái sinh 5 >0 >0 =Pc + Pđ - Hãm ngược 6 =0 =0 = Pc - Hãm động năng 1. Ở trạng thái động cơ: Ta coi công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ: Pcơ = M. cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ cấu công tác của máy.
Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay. Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một điều kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động cơ tiếp nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện. Công suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay. Mômen của máy sản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản.
Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ. Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ là: Pđ = Pc + P Trong đó: Pđ công suất điện 14 Pc công suất cơ P tổn thất công suất Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải. Trạng thái động cơ phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng (,M). Trạng thái hãm có: hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng.
Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng (,M). Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới. Hãm ngược: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất P. Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành công suất tổn thất P.
* Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng (,M) Trạng thái động cơ: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư I và góc phần tư III của mặt phẳng (,M), (hình 1. Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư II và góc phần tư IV của mặt phẳng (,M), (hình 1.3: Trạng thái làm việc của truyền động điện trong góc phần tư đặc tính cơ 15 BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Mục tiêu của bài: - Thành lập được phương trình và vẽ được dạng đặc tính cơ điện của các động cơ điện một chiều (DC), động cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ. - Thành lập phương trình đặc tính cơ, các trạng thái làm việc của các động cơ: một chiều, không đồng bộ, đồng bộ. - Thành lập được bảng so sánh các trạng thái làm việc, phạm vi ứng dụng có thể có của các động cơ dùng trong truyền động điện.
Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm 1. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và song song Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song (hình 2.1) Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập (hình 2.1: Sơ đồ nối dây của động cơ Hình 2.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song kích từ độc lập a. Phương trình đặc tính cơ Theo sơ đồ hình 2-2 ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Uư = Eư + Iư.