CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG Khi thiết kế một hệ thống truyền động điện thì người thiết kế phải đưa ra nhiều phương án để giải quyết. Nhiệm vụ của người thiết kế là phải tìm ra được phương án tối ưu nhất phù hợp với yêu cầu đặt ra. Trước hết là yêu cầu về kỷ thuật sau đó là yêu cầu về kinh tế. Việc lựa chọn phương án truyền động có ý nghĩa hết sức quan trọng trong thiết kế nó ảnh hưởng trực tiếp đến dây chuyền sản xuất chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế.
• ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU Cấu tạo : Động cơ một chiều gồm có 2 phần chính: Phần tĩnh (stato): Đây là phần đứng yên và gồm các bộ phận sau: - Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi sắt và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kĩ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 mm đến 1 mm ép chặt. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. - Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính dùng để cải thiện tình trạng của máy điện và đổi chiều.
Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn của cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ bulông. - Gông từ: Gông từ dùng để làm mạch nối các cực từ. - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và đảm bảo cho người khỏi chạm phải điện.
Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi, trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. 5 Phần quay (rotor): gồm những bộ phận sau: - Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.
Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. - Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài KW) thường dùng dây có tiết diện tròn.
Trong máy điện vừa và lớn, thường dùng dây có tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. - Cổ góp: Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. - Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy.
- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt, ô bi. Thường làm bằng thép cacbon tốt. - Phân loại động cơ điện 1 chiều: + Động cơ điện một chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. + Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
+ Động cơ điện một chiều kích từ song song. + Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. + Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp. Chú ý: Yêu cầu của đề tài là động cơ một chiều kích từ độc lập nên chúng ta sẽ chỉ tìm hiểu về động cơ một chiều kích từ độc l ập.
- Động cơ 1 chiều kích từ độc lập: 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 nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ một chiều kích từ độc lập.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập. *Phương trình đặc tính cơ: Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Theo sơ đồ nguyên lý trên hình, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rôto) như sau: Uư = Eư + ( Rư + Rf ) Iư (0.9) Trong đó: - Uư : Điện áp phần ứng động cơ (V) - Eư : Sức điện động phần ứng động cơ (V) - Rư : Điện trở cuộn dây phần ứng () - Rf : Điện trở phụ mạch phần ứng () - Iư : Dòng điện phần ứng động cơ (A) Rư = rư + rct + rcb + rcp (0.10) - r : Điện trở cuộn dây phần ứng - rct : Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp - rcb : Điện trở cuộn bù - rcp : Điện trở cuộn phụ 7 Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức sau : pN Eư = =K (0.11) 2πa - : Từ thông qua mỗi cực từ (Wb) - p : Số đôi cực từ chính - N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng - a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng - : Tốc độ góc của động cơ (rad/s) pN K= là hệ số kết cấu của động cơ. 2πa Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì: Eư = Ke.14) 60a pN Ke = - Hệ số sức điện động của động cơ 60a K K e =9,55 ≈ 0,155K (0.15) Uu R +Rf Vậy ta có: ω = − u Iư (0.16) chính là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi: Mđt = K.Iu Mdt Suy ra: Iư = K 8 Thay giá trị Iư vào (0.16) ta được: U R +R u f ω =Ku − (K) 2 Mdt (0.17) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M Uu R +Rf ω= − u K M (0.18) (K)2 Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 1.2 là những đường thẳng.2 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐC một chiều kích từ độc lập Giả thiết phần ứng được bù đủ, tư thông = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (0.9) và phương trình đặc tính cơ (0.11) là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình a và hình b là những đường thẳng. Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: Uu ω= = ω0 (0.19) K 9 o được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.
Còn khi = 0 ta có: R +R Iư =( u )2 f = Inm (0.20) K M = KInm = Mnm Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác phương trình đặc tính cũng có thể được viết dưới dạng: Uu R +R u f Ω= − (K) 2 Iư = ω0 − ∆ω (0.22) Uu Trong đó: R=R u + R f ; ω= K R R ∆ω= Iư = M K (K)2 được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M. Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ và đặc tính cơ điện trong hệ đơn vị tương đối, với điều kiện từ thông là định mức ( = đm) Từ những phân tích cho thấy : để đáp ứng các chỉ tiêu mà yêu cầu hệ thống đã đặt ra thì động cơ một chiều kích từ độc lập phù hợp để làm động cơ truyền động cho hệ thống. Trong thực tế đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập thường có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau.
Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng Điều chỉnh từ thông kích từ 1. Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 10 a) Sơ đồ nguyên lý Hình 1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay điện trở phần ứng. b) Phương trình đặc tính cơ: Uđm R ư + Rf ω= − M Kϕđm (Kϕđm )2 c) Dạng đặc tính cơ Thay đổi điện trở mạch phần ứng bằng cách nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Khi đó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ d) Nhận xét: Người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
Từ phương trình đặc tính cơ và dạng đặc tính cơ ta thấy khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng (tăng Rf) làm cho : Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta có họ đặc tính biến trở có dạng như hình 1. Ứng với phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn tốc độ động cơ càng giảm, độ sụt tốc độ Δω tăng lên. Đồng thời điện trở ngắn mạch, mômen ngắn mạch càng giảm và độ cứng đặc tính cơ β mềm đi. Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng a) Sơ đồ nguyên lý Hình 1.4 Sơ đồ thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng Trong đó : - BBĐ : là bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của thành điện áp một chiều và điều chỉnh sức điện động Eb của nó theo yêu cầu - Rb : là điện trở mạch phần ứng - Rư : là điện trở trong của bộ biến đổi phụ thuộc vào loại thiết bị b) Phương trình đặc tính cơ Eb Rư + Rb ω= − Kϕđm (Kϕđm )2 M Hình 1.5 Đường đặc tính cơ 12 c) Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi giảm điện áp mạch phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với nhau như hình (H1.5) d) Nhận xét: Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định.
Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. Khi thay đổi điện áp mạch phần ứng ta sẽ có các tốc độ không tải lý tưởng: Độ cứng Mômen ngắn mạch: Mnm = KIư , mômen ngắn mạch giảm khi giảm điện áp phần ứng. Mức độ phù hợp tải: P = U.