Truyền Động Điện CHƢƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN I. Khái niệm chung 1. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, phục vụ choviệc biến đổiđiện năngthành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất và đồng thời điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó. Cấu trúc chung của hệ thống truyền động điện được trình bày trên Hình1.1, bao gồm 2 phần chính: - Phần động lực là bộ biến đổi và động cơ truyền động.
Các bộ biến đổi thường dùng là bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều, xoay chiều), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ,cuộn kháng bão hòa), bộ biến đổi điện tử (chỉnh lưu Thyristor, biến tần, Chopper…). Động cơ điện có các loại: động cơ điện một chiều, xoay chiều đồng bộ, không đồng bộ và các loại động cơ điện đặc biệt khác v.v… - Phần điều khiển gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh thông số và công nghệ, ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệvà cho người vận hành. Ngoài ra còn có một số hệ truyền động có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong một dây chuyền sản xuất.1: Cấu trúc hệ thống truyền động điện 2. Phân loại hệ thồng truyền động điện 2.
Phân loại theo tính năng điều chỉnh Trang 1 Truyền Động Điện Truyền động không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản suất với một tốc độ nhất định (Hình 1. L1 L2 L3 N Ổ cắm Quạt mộ Động cơ ba pha Đèn Hình 1.2: Hệ truyền động không điều chỉnh Truyền động có điều chỉnh: trong loại này, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí. Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh có thể là truyền động nhiều động cơ.Ngoài ra, tùy thuộc vào cấu trúc và tín hiệu điều khiển ta có hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự hoặc truyền động điều khiển theo chương trình v.3) Điều chế xung ra Tải Nguồn vào Biến tần điều Động cơ AC chỉnh tốc độ Hình 1.3: Hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ 2. Phân loại theo đặc điểm của động cơ điện.
Truyền động điện một chiều (dùng động cơ điện một chiều): Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen, có chất lượng điều chỉnh tốt. Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, hơn nữa đòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều (Hình 1. Trang 2 Truyền Động Điện Board công suất PWM Tốc Tốc độ đặt độ động DIR cơ Encoder Tốc độ hồi tiếp Hình 1.4: Hệ truyền động động cơ một chiều Truyền động điện không đồng bộ (dùng động cơ không đồng bộ):Động cơ KĐB ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ bán dẫn, đặc biệt là linh kiện công suất, chế tạo được các thiết bị điều khiển có chất lượng điều chỉnh cao như khởi động mềm, biến tần… nên động cơ KĐB được ứng dụng rất rộng rãi và dần thay thế động cơ một chiều.
L1 L2 L3 N MCB 3P CB 1P Stop Start K1 K2 K3 Động cơ không đồng bộ ba pha Hình 1.5: Hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ mở máy Y-∆ không điều chỉnh tốc độ Trang 3 Truyền Động Điện Nguồn Tải (cơ Biến tần cấu chấp Điện trở hành) hãm Đai truyền động Động cơ Hình 1.6: Hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ có điều chỉnh tốc độ Truyền động điện đồng bộ (dùng động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha): Động cơ điện đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máy nghiền. Rotor Stator Nam châm vĩnh cửu Dây quấn Inverter Bộ chỉnh lưu ba pha Động cơ Bộ chooper đồng bộ hãm nam châm vĩnh cửu Điều khiển Cảm biến vị dòng trí Hiệu ứng Điều khiển Hall Tốc độ đặt tốc độ Hình 1.7: Động cơ đồng bộ và hệ truyền động điều khiển. Truyền động điện servo và động cơ bước (dùng động cơ servo AC hoặc DC): Đây là truyền động trong hệ thống điều khiển vị trí chính xác như các máy công cụ CNC (máy tiện, máy phay, máy bào, máy cắt …). Trang 4 Truyền Động Điện Động cơ servo Động cơ servo Trục khuỷu Vít truyền động Bàn trượt Hình 1.8: Bộ điều khiển và truyền động điều khiển bằng động cơ servo.1uF 10K BC639 1N4148 1,5K Động cơ 0.01uF Reset bước A1 1N4148 A2 1N4148 BC639 A3 1,5K 1 8 B1 B2 B3 2 7 1N 10K 3 AVR 6 4148 4 5 BC639 1N4148 1,5K PB0 PB1 PB2 PB3 BC639 1N4148 330 330 330 330 BC639 1N4148 LED LED LED LED 1,5K E C B Hình 1.9: Truyền động điều khiển động cơ bước 2.
Một số phân loại khác: Ngoài các cách phân loại trên, còn có một số cách phân loại khác như truyền động đảo chiều và không đảo chiều, truyền động một động cơ và truyền động nhiều động cơ, truyền động quay và truyền động thẳng, truyền động trực tiếp, truyền động gián tiếp, truyền động bằng nhông truyền, truyền động bằng đai. Trang 5 Truyền Động Điện Động cơ Động cơ Trục cơ Động Khớp nối Bơm Động cơ Bơm Truyền động trực tiếp thẳng Truyền động trực tiếp có mềm khớp nối Trục Khớp nối Bơm Bơm thẳng mềm Hình 1.10: Truyền động trực tiếp Truyền động trực tiếp Truyền động trực tiếp có khớp nối Động cơ Puly Động cơ Khớp nối Curoa Động Curoa cơ mềm Động cơ Puly Truyền động gián Truyền động gián tiếp Khớp nối tiếp phức tạp Curoa đơn giản Curoa mềm Puly Truyền động gián Truyền động gián tiếp tiếp phức tạp đơn giản Gối đỡ Bơm Bơm Puly Gối đỡ Bơm Bơm Hình 1.11: Truyền động gián tiếp Đai dẹt Đai chữ V Hình 1.12: Truyền động bằng đai Truyền động bằng dây cáp Truyền động bằng dây xích Hình 1.13: Truyền động bằng cáp và xích Động cơ Trục động cơ Nắp bảo vệ quạt làm mát động cơ Hộp số Hình 1.14: Truyền động bằng nhông Trang 6 Truyền Động Điện Khớp nối Bàn máy F Động cơ Trục vít Hình 1.15: Truyền động bằng vít me II. Khái niệm chung về đặc tính cơ 1. Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của động cơ Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ.
M=f(ω) hoặc ω =f(M), bao gồm đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo. - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu như động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, đm. - Đặc tính cơnhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ.
Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặc tính cơ điện. Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện =f(I). Để đánh giá và so sách các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ và được tính: ∆M β= (11) ∆ω ω ∆ω1 β1 ∆ω2 β2 ∆M M Hình 1.16: Độ cứng của đặc tính cơ <10 Đặc tính cơ mềm 10≤ ≤ 100 Đặc tính cơ tuyệt đối cứng. Đặc tính cơ cứng Truyền động có đặc tính cơ cứng tốc độ thay đổi rất ít khi mômen biến đổi lớn.
Truyền động cơ có đặc tính cơ mềm tốc độ giảm nhiều khi mômen tăng. Trang 7 Truyền Động Điện 2. Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng. Tuy vậy, phần lớn nó được biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát: ω M =M o +(M m -M o ) ( ) (12) ωm ω 1 2 3 ωđm 4 Mco Mc M Hình 1.17: Đặc tính cơ của một số máy sản xuất (1) α=0; (2) α=1; (3) α=2; (4) α=-1; Trong đó: Mco : Mômen cản ứng với tốc độ=0.
Mđm : Mômen ứng với tốc độ định mức đm Mc : Mômen ứng với tốc độ . Ta có các trường hợp: - = 0, Mc=Mđm=const, các cơ cấu nâng hạ, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt thuộc loại này (đường 1, Hình 1.17), đặc tính cơ của động cơ và cơ cấu nâng hạ được trình bày trên Hình 1. ω Đặc tính cơ của động cơ Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ tải Điểm làm việc M Hình 1.18: Cơ cấu nâng hạ và đặc tính cơ của chúng - = 1, mômen tỷ lệ bậc 1 với tốc độ, thực tế rất ít gặp, về loại này có thể lấy ví dụ máy phát một chiều tải thuần trở (đường 2, Hình 1.17), đặc tính cơ của động cơ và máy phát một chiều tải thuần trở được trình bày trên Hình 1. Trang 8 Truyền Động Điện ω Đặc tính cơ Tải trở của động cơ Đặc tính cơ của máy phát ω một chiều tải thuần trở Đặc tính cơ của động cơ Điểm làm việc Đặc tính cơ phátlv, ωlv) của máy (M Điểm làm việc Máy phát Động cơ một chiều Mco Mkđ MMmax M Hình 1.19: Sơ đồ điện máy phát tải thuần trở - =2, mômen tỷ lệ bậc 2 với tốc độ là đặc tính của các máy bơm, quạt gió (đường 3, Hình 1.17),đặc tính cơ của động cơ và cơ cấu bơm được trình bày trên Hình 1.
ω ω Đặc tính cơ Nước Nước Khớp Đặc tính cơ Phần của động cơ ra ra nối của động cơ Đặctính Đặc tínhcơ cơ của bơm, quạt quay của bơm, quạt Điểm làm việc Động Điểm làm việc (M lv, ωlv) cơ Cánh Cánh quạt đẩy quạt Nước vào đẩy Nước vào Mco Mkđ Mmax MM Hình 1.20: Bơm và đặc tính cơ của bơm - =−1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, các truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại có đặc tính thuộc loại này (đường 4, Hình 1.17), đặc tính cơ của động cơ và cơ cấu cuốn dây trình bày trên Hình 1.