Chương 1: Khái niệm chung về hệ truyền động điện tự động Mục đích và yêu cầu: + Nắm được cấu trúc chung của hệ thống truyền động điện tự động (HTTĐĐTĐ). + Nắm được đặc tính của từng loại động cơ trong các hệ thống truyền động điện tự động cụ thể. + Phân tích được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ và vấn đề điều chỉnh tốc độ trong các hệ “bộ biến đổi động cơ ”. + Khảo sát được quá trình quá độ của HTTĐĐTĐ với các thông số của hệ hoặc của phụ tải.
+ Tính chọn các phương án truyền động và nắm được nguyên tắc cơ bản để chọn công suất động cơ điện. + Nắm được các nguyên tắc cơ bản điều khiển tự động HTTĐĐTĐ. + Phân tích và đánh giá được các mạch điều khiển tự động điển hình của các máy hoặc hệ thống đã có sẵn. + Nắm được nguyên tắc làm việc của phần tử điều khiển logic.
+ Tổng hợp được một số mạch điều khiển logic. + Thiết kế được các mạch điều khiển tự động của các máy hoặc hệ thống theo yêu cầu công nghệ. Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền động điện tự động (tđđ tđ) Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tự động: * Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động: + Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, v. phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công 2/201 tác trên các máy sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ.
* Cấu trúc chung: Hình 11: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và R T : Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và K T : các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính: Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX). Các bộ biến đổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor). Động cơ có các loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt. Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành.
Đồng thời một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính điều khiển. 3/201 Phân loại hệ thống truyền động điện tự động: Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định. Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí. Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ.
Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình. Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v. Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự động. Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.
Đặc tính cơ của máy sản xuất Và động cơ 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(ω). + Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biếu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát: Trong đó: Mc mômen ứng với tốc độ ω. Mco mômen ứng với tốc độ ω = 0. 4/201 Mđm mômen ứng với tốc độ định mức ωđm + Ta có các trường hợp số mũ q ứng với các tải: Khi q = 1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy,.
Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (lực cản) càng lớn. Khi q = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt,. Khi q = 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 ? hình 12). Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió, máy nén, (đường ? hình 12).
+ Trên hình 12a biểu diễn các đặc tính cơ của máy sản xuất: Hình 12: a) Các dạng đặc tính cơ của các máy sản xuất ? : q = -1; ? : q = 0; ? : q = 1; ? : q = 2. b) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính thế năng. c) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính phản kháng. 5/201 + Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như: Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f(φ) hoặc mômne phụ thuộc vào đường đi Mc = f(s), các máy công tác có pittông, các máy trục không có cáp cân bằng có đặc tính thuộc loại này.
Mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi Mc = f(ω,s) như các loại xe điện. Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) như máy nghiền đá, nghiền quặng. Trên hình 12b biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng thế năng. Trên hình 12c biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng phản kháng.
Đặc tính cơ của động cơ điện: + Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: M = f(ω). + Nhìn chung có 4 loại đặc tính cơ của các loại động cơ đặc trưng như: động cơ điện một chiều kích từ song song hay độc lập (đường?), và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp hay hỗn hợp (đường?), động cơ điện xoay chiều không đồng bộ (đường?), đồng bộ (đường?), hình 13. Hình 13: Các đặc tính cơ của bốn loại động cơ điện * Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: 6/201 + 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 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 đặ tính cơ nhân tạo. Độ cứng đặc tính cơ: + Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm “độ cứng đặc tính cơ ” và được định nghĩa: Trong đó: ΔM và Δω là lượng sai phân của mômen và tốc độ tương ứng; M* = M/Mđm ; ω* = ω/ωđm ; hoặc ω* = ω/ωcb. Hình 1 4: Cách tính độ cứngđặc tính cơ bằng đồ thị Trong đó: 7/201 + mM là tỉ lệ xích của trục mômen + mω là tỉ lệ xích của trục tốc độ + ? là góc tạo thành giữa tiếp tuyến với trục ω tại điểm xét của đặc tính cơ.
+ Động cơ không đồng bộ có độ cứng đặc tính cơ thay đổi giá trị (β > 0, β < 0). + Động cơ đồng bộ có đặc tính cơ tuyệt đối cứng (β ≈ ∞). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng (β ≥ 40). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm (β ≤ 10).
Các trạng thái làm việc của hệ tđđtđ + 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 11: 8/201 ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng 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.ω 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 9/201 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 TĐ là: Pđ = Pc + ΔP (14) Trong đó: Pđ là công suất điện; Pc là công suất cơ; ΔP là 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 ω(M). Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược và Hãm động năng.