Giáo trình Truyền động điện tự động

giáo viên khoa Điện tr−ờng Đại học Bách khoa Đà nẵng cũng nh− sinh viên các trung tâm, và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ s− điện và các ngành có liên quan, chúng tôi đã biên soạn giáo trình “truyền động điện tự động” (tập1, 2). Giáo trình gồm hai phần: Phần 1 (Tập1): Trình bày những kiến thức cơ bản về: các đặc tính của máy sản xuất, của động cơ; các ph−ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, các hệ “bộ biến đổi - động cơ”; quá trình quá độ trong hệ thống truyền động điện tự động; chọn công suất động cơ... Phần 2 (Tập2): Trình bày hệ điều khiển tự động (ĐKTĐ) truyền động điện nh−: phân tích các nguyên tắc điều khiển tự động; các phần tử điều khiển và bảo vệ; tổng hợp hệ TĐĐTĐ theo đại số logic... Nội dung của giáo trình (Phần 1) gồm 6 ch−ơng: Ch−ơng 1: Khái niệm chung về hệ truyền động điện tự động. Ch−ơng 2: Đặc tính cơ của động cơ điện. Ch−ơng 3: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện theo các thông số. Ch−ơng 4: Điều chỉnh tốc độ hệ "Bộ biến đổi - Động cơ điện". Ch−ơng 5: Quá trình quá độ trong hệ thống truyền động điện. Ch−ơng 6: Tính chọn công suất động cơ. Nội dung của giáo trình (Phần 2) gồm 5 ch−ơng: Ch−ơng 1: Khái niệm chung về hệ thống điều khiển tự động truyền động điện (HT ĐKTĐ TĐĐ). Ch−ơng 2: Những nguyên tắc điều khiển tự động. Ch−ơng 3: Các mạch bảo vệ và tín hiệu hóa. Ch−ơng 4: Phần tử điều khiển logic - số. Ch−ơng 5: Tổng hợp hệ điều khiển logic. Do hạn chế về thông tin cũng nh− khả năng nên nội dung giáo trình chắc chắn còn nhiều vấn đề cần hoàn thiện. Rất mong các bạn đồng nghiệp và độc giả đóng góp ý kiến. Th− góp ý xin gửi về cho ThS. Kh−ơng Công Minh, Giáo viên khoa điện, Tr−ờng đại học Bách khoa, Đại học Đà nẵng. Tác giả Ch−ơng 1: Khái niệm chung về hệ truyền động điện tự động. Đ 1.1. Mục đích và yêu cầu: + Nắm đ−ợc cấu trúc chung của hệ thống truyền động điện tự động (HT-TĐĐTĐ). + Nắm đ−ợc đặc tính của từng loại động cơ trong các hệ thống truyền động điện tự động cụ thể. + Phân tích đ−ợc các ph−ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ và vấn đề điều chỉnh tốc độ trong các hệ “bộ biến đổi - động cơ ”. + Khảo sát đ−ợc quá trình quá độ của HT-TĐĐTĐ với các thông số của hệ hoặc của phụ tải. + Tính chọn các ph−ơng án truyền động và nắm đ−ợc nguyên tắc cơ bản để chọn công suất động cơ điện. + Nắm đ−ợc các nguyên tắc cơ bản điều khiển tự động HT- TĐĐTĐ. + Phân tích và đánh giá đ−ợc các mạch điều khiển tự động điển hình của các máy hoặc hệ thống đã có sẵn. + Nắm đ−ợc nguyên tắc làm việc của phần tử điều khiển logic. + Tổng hợp đ−ợc một số mạch điều khiển logic. + Thiết kế đ−ợc các mạch điều khiển tự động của các máy hoặc hệ thống theo yêu cầu công nghệ. Trang 1 ThS. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 1.2. Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền động điện tự động (tđđ tđ) 1.2.1. 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.v. phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản suất, cũng nh− gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng l−ợng đó theo yêu cầu công nghệ. * Cấu trúc chung: Trang 2 Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính: - Phần lực (mạch lực): từ l−ới 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 nh−: 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 l−u tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor). Động cơ có các loại nh−: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt. - Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo l−ờng, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho ng−ời 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. Phần điện 1.2.2. Phân loại hệ thống truyền động điện tự động: L−ới - Truyền động điện không điều chỉnh: th−ờng chỉ có động cơ nối trực tiếp với l−ới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định. msxBbđ đc - 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. R Rt k kt Phần 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 t−ơng tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo ch−ơng trình ... vhgn - 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 b−ớc, v.v. Hình 1-1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Ng−ời vận hành - 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.v. Trang 3 ThS. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 1.3. ĐặC TíNH CƠ CủA MáY SảN XUấT Và ĐộNG CƠ 1.3.1. 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(ω). + Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng đ−ợc biếu diễn d−ới dạng biểu thức tổng quát: Mc = Mco + (Mđm - Mco) q đm ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω ω (1-1) Trong đó: Mc - mômen ứng với tốc độ ω. Mco - mômen ứng với tốc độ ω = 0. Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức ωđm + Ta có các tr−ờng hợp số mũ q ứng với các tải: Khi q = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, t−ơng ứng các cơ cấu máy tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy, ... (đ−ờng c hình 1-2). 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, t−ơng ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, ... (đ−ờng d hình 1-2). Khi q = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, t−ơng ứng các cơ cấu ma sát, máy bào, máy phát một chiều tải thuần trở, (đ−ờng e hình 1-2). Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, t−ơng ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió, máy nén, (đ−ờng f hình 1-2). + Trên hình 1-2a biểu diễn các đặc tính cơ của máy sản xuất: Trang 4 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. + Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, nh−: - Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f(ϕ) hoặc mômne phụ thuộc vào đ−ờng 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 đ−ờng đi Mc = f(ω,s) nh− các loại xe điện. - Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) nh− máy nghiền đá, nghiền quặng. Trên hình 1-2b biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng thế năng. Trên hình 1-2c biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng phản kháng. Trang 5 Hình 1-2: a) Các dạng đặc tính cơ của các máy sản xuất c: q = -1; d: q = 0; e: q = 1; f: q = 2. ω ω ωc d e M'c Mc Mc f ωđm MM M'c Mđm M a) b) c) ThS. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 1.3.2. 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 tr−ng nh−: động cơ điện một chiều kích từ song song hay độc lập (đ−ờngc), và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp hay hỗn hợp (đ−ờngd), động cơ điện xoay chiều không đồng bộ (đ−ờnge), đồng bộ (đ−ờngf), hình 1-3. * Th−ờng ng−ời ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: + Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có đ−ợc khi động cơ nối theo sơ đồ bình th−ờng, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng nh− của động cơ là định mức. Nh− 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 đ−ợc 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. 1.3.3. Độ cứng đặc tính cơ: + Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, ng−ời ta đ−a ra khái niệm “độ cứng đặc tính cơ ” và đ−ợc định nghĩa: Trang 6 β = ∂ω ∂M ; nếu đặc tính cơ tuyến tính thì: β = ω∆ ∆M ; (1-2a) Hoặc theo hệ đơn vị t−ơng đối: * * * d dM ω=β ; (1-2b) Trong đó: ∆M và ∆ω là l−ợng sai phân của mômen và tốc độ t−ơng ứng; M* = M/Mđm ; ω* = ω/ωđm ; hoặc ω* = ω/ωcb . Hoặc tính theo đồ thị: β = γ ω tg m mM ; (hình 1- 4) (1-3) ω f Trong đó: ω e + mM là tỉ lệ xích c của trục mômen γ d + mω là tỉ lệ xích của trục tốc độ XL mω M(ω) + γ là góc tạo thành M giữa tiếp tuyến với Hình 1-3: Các đặc tính cơ của bốn loại động cơ điện trục ω tại điểm xét mM M của đặc tính cơ. Hình 1- 4: Cách tính độ cứng đặc tính cơ bằng đồ thị + 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). Trang 7 ThS. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 1.4. CáC TRạNG THáI LàM VIệC CủA Hệ TĐĐTĐ + Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng l−ợng điện năng thành cơ năng hoặc ng−ợc 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 = Pđiện - Động cơ không tải 2 0 0 = Pđ - Pc - Động cơ có tải 3 = 0 < 0 = ⏐Pcơ ⏐ Hãm không tải 4 < 0 < 0 = ⏐Pc - Pđ⏐ Hãm tái sinh 5 0 < 0 = ⏐Pc + Pđ⏐ Hãm ng−ợc 6 = 0 < 0 = ⏐Pcơ ⏐ Hãm động năng Trang 8 ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện Pđiện có giá trị d−ơng nếu nh− 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 đ−ợc tiêu thụ tại cơ cấu công tác của máy. Công suất cơ này có giá trị d−ơng nếu nh− mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay. ở trạng thái máy phát: thì ng−ợc 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 đ−ợc truyền về trục động cơ, động cơ tiếp nhận năng l−ợng này và làm việc nh− 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 ng−ợc chiều với tốc độ quay. Pđ ∆P Pđ Mômen của máy sản xuất đ−ợc gọi là mômen phụ tải hay mômen cản. Nó cũng đ−ợc định nghĩa dấu âm và d−ơng, ng−ợc lại với dấu mômen của động cơ. + Ph−ơng trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ TĐ là: Pđ = Pc + ∆P (1-4) Trong đó: Pđ là công suất điện; Pc là công suất cơ; ∆P 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 t− I, III của mặt phẳng ω(M). - Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ng−ợc và Hãm động năng. Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng ω(M). - Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về l−ới. - Hãm ng−ợc: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất ∆P. Trang 9 ∆P Pc ∆P Pđ Pc ∆P Pđ Pc ∆P Pc Pc ∆P ThS. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động - 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, ω]: Trạng thái động cơ: t−ơng ứng với các điểm nằm trong góc phần t− thứ nhất và góc phần t− thứ ba của mặt phẳng [M, ω], hình 1 - 5. Trạng thái máy phát: t−ơng ứng với các điểm nằm trong góc phần t− thứ hai và góc phần t− thứ t− của mặt phẳng [M, ω], hình 1 - 5. ở trạng thái này, mômen động cơ chống lại chiều chuyển động, nên động cơ có tác dụng nh− bộ hãm, và vì vậy trạng thái máy phát còn có tên gọi là "trạng thái hãm". Trang 10 Đ 1.5. TíNH ĐổI CáC ĐạI LƯợNG CƠ HọC 1.5.1. Mômen và lực quy đổi: + Quan niệm về sự tính đổi nh− việc dời điểm đặt từ trục này về trục khác của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực. Th−ờng quy đổi mômen cản Mc, (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ. + Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ của hệ TĐĐTĐ: - Khi năng l−ợng truyền từ động cơ đến máy sản xuất: Ptr = Pc + ∆P (1-5) Trong đó: Ptr là công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.ω, (Mcqđ và ω - mômen cản tĩnh quy đổi và tốc độ góc trên trục động cơ). Pc là công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv.ωlv , (Mlv và ωlv - mômen cản và tốc độ góc trên trục làm việc). ∆P là tổn thất trong các khâu cơ khí. * Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay: ω=η ω=η= .M .MPP cqd i lvlv i c tr (1-6) Rút ra: Mcqđ i. M . .M i lv i lvlv η=ωη ω= ; (1-7) Trong đó: ηi - hiệu suất của hộp tốc độ. i = lvω ω - gọi là tỷ số truyền của hộp tốc độ. Trang 11 Trạng thái máy phát Mω 0 ; Mc Mcω ω M Mω II M(ω) I G Mc(ω)Trạng thái máy phát Mω 0 ; Trạng thái động cơ Mω > 0 ; Mcω < 0 ;II I M III IV Trạng thái động cơ Mω > 0 ; Mcω < 0 ; Mc(ω) M(ω) III IVω M Mc McMω Hình 1 - 5: Biểu diễn các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M, ω] ThS. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động * Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực quy đổi: ρη= . FM lvcqõ (1-8) Trong đó: η = ηi.ηt - hiệu suất bộ truyền lực. ηt - hiệu suất của tang trống. ρ = ω/vlv - gọi là tỷ số quy đổi. - Khi năng l−ợng truyền từ máy sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc - ∆P (tự chứng minh). 1.5.2. Quy đổi mômen quán tính và khối l−ợng quán tính: + Điều kiện quy đổi: bảo toàn động năng tích luỹ trong hệ thống: W = ∑n 1 iW (1-9) Chuyển động quay: W = J. 2 2ω (1-10) Chuyển động tịnh tiến: W = m. 2 v2 (1-11) Nếu sử dụng sơ đồ tính toán phần cơ dạng đơn khối, và áp dụng các điều kiện trên ta có: ∑∑ ⋅+ω⋅+ω⋅=ω⋅ q 1 2 j j n 1 2 i i 2   2  qõ 2 v m 2 J 2 J 2 J (1-12) ⇒ ∑∑ ρ++= q 1 2 j j n 1 2 i i Âqõ m i JJj (1-13) Trang 12 Trong đó: Jqđ - mômen quán tính quy đổi về trục động cơ. ωĐ - tốc độ góc trên trục động cơ. JĐ - mômen quán tính của động cơ. Ji - mômen quán tính của bánh răng thứ i. mj - khối l−ợng quán tính của tải trọng thứ j. ii = ω/ωi - tỉ số truyền tốc độ từ trục thứ i. ρ = ω/vj - tỉ số quy đổi vận tốc của tải trọng. * Ví dụ: Sơ đồ truyền động của cơ cấu nâng, hạ : Jđ , Mđ , ωđ i, ηi c d ωt , Jt , Mt , ηt e f vlv,Flv G Hình 1- 6: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ c động cơ điện; d hộp tốc độ; e tang trống quay; f tải trọng 1 2 3 4 Ta có: 2 j j 2 t t 4 1 2 i i Âqõ m i J i JJJ ρ+++= ∑ (1-14) Trong đó: it = tω ω - tỉ số truyền tốc độ từ trục tang trống. Trang 13 ThS. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 1.6. PHƯƠNG TRìNH ĐộNG HọC CủA Hệ TĐĐ TĐ + Là quan hệ giữa các đại l−ợng (ω, n, L, M, ...) với thời gian: Dạng tổng quát: dt )J(dM n 1i i ω=∑ = rr (1-15) + Nếu coi mômen do động cơ sinh ra và mômen cản ng−ợc chiều nhau, và J = const, thì ta có ph−ơng trình d−ới dạng số học: dt dJMM c ω=− (1-16) Theo hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); ω(Rad/s); t(s). Theo hệ kỹ thuật: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s): dt dn 375 GD MM 2 c ⋅=− (1-17) Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s): dt dn 55,9 JMM c ⋅=− (1-18) Mômen động: Mđg = dt dJMM c ω=− (1-19) Từ ph−ơng trình (1-19) ta thấy rằng: - Khi Mđg > 0 hay M > Mc , thì 0dt d >ω → hệ tăng tốc. - Khi Mđg < 0 hay M < Mc , thì 0dt d <ω → hệ giảm tốc. - Khi Mđg = 0 hay M = Mc , thì dω/dt = 0 → hệ làm việc xác lập, hay hệ làm việc ổn định: ω = const. Trang 14 * Nếu chọn và lấy chiều của tốc độ ω làm chuẩn thì: M(+) khi M↑↑ω và M(-) khi M↑↓ω. Còn Mc(+) khi Mc↑↓ω; Mc(-) khi Mc↓↓ω. Đ 1.7. ĐIềU KIệN ổN ĐịNH TĩNH CủA Hệ TĐĐ TĐ Nh− ở trên đã nêu, khi M = Mc thì hệ TĐĐTĐ làm việc xác lập. Điểm làm việc xác lập là giao điểm của đặc tính cơ của động cơ điện ω(M) với đặc tính cơ của máy sản suất ω(Mc). Tuy nhiên không phải bất kỳ giao điểm nào của hai đặc tính cơ trên cũng là điểm làm việc xác lập ổn định mà phải có điều kiện ổn định, ng−ời ta gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải. Để xác định điểm làm việc, dựa vào ph−ơng trình động học: )(MM dt dJ x x c x ω−ω⋅⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ω∂ ∂−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ω∂ ∂= (1-20) Ng−ời ta xác định đ−ợc điều kiện xác lập ổn định là: 0MM x c x <⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ω ∂−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ω ∂ (1-21) Hay: β - βc < 0 (1-22) * Ví dụ: Xét hai điểm giao nhau của các đặc tính cơ: ω A ω(M) Trang 15 Hình 1- 7: Xét điểm làm việc ổn định B ω(MC) β M βc ThS. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Tại các điểm khảo sát thì ta thấy ba điểm A, B, C là các điểm làm việc xác lập ổn định. Điểm D là điểm làm việc không ổn định. Tr−ờng hợp: A: β < βc vì β < 0 và βc = 0 → xác lập ổn định. B: β > βc vì β > 0 và βc1 = 0 → không ổn định. Đ 1.8. ĐộNG HọC CủA Hệ TĐĐ TĐ Trong hệ TĐĐ TĐ có cả các thiết bị điện + cơ, trong đó các bộ phận cơ có nhiệm vụ chuyển cơ năng từ động cơ đến bộ phận làm việc của máy sản xuất và tại đó cơ năng đ−ợc biến thành công hửu ích. Động cơ điện có cả phần điện (stato) và phần cơ (roto và trục). Phần cơ phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu và loại máy, chúng rất đa dạng và phức tạp, bởi vậy phải đ−a về dạng điển hình đặc tr−ng cho các loại, phần cơ có dạng tổng quát đặc tr−ng đó gọi là mẫu cơ học của truyền động điện. Mẫu cơ học (đơn khối) là một vật thể rắn quay xung quanh một trục với tốc độ động cơ, nó có mômen quán tính J, chịu tác động của mômen động cơ (M) và mômen cản (Mc), hình 9. Trang 16 Tính đàn hồi lớn cũng có thể xuất hiện ở những hệ thống có mạch động học dài mặc dù trong đó không chứa một phần tử đàn hồi nào. Sự biến dạng trên từng phần tử tuy nhỏ nh−ng vì số phần tử rất lớn nên đối với toàn máy nó trở nên đáng kể. Trong những tr−ờng hợp trên phần cơ khí của hệ không thể thay thế t−ơng đ−ơng bằng mẫu cơ học đơn khối mà phải thay thế bằng mẫu cơ học đa khối, hình 9b. Nếu quy đổi mômen và mômen quán tính về một trục tốc độ nào đó (động cơ hoặc máy sản xuất) thì trong phần lớn các tr−ờng hợp hệ truyền động có khâu đàn hồi phần cơ của nó có thể thay t−ơng đ−ơng bởi mấu cơ học đa khối gồm 3 khâu: khâu 1 gồm rôto hoặc phần ứng của động cơ với những phần tử nối cứng với động cơ nh− hộp tốc độ, trống tời v.v...; khâu 2 là khâu đàn hồi không quán tính; khâu 3 là khâu cơ của máy sản xuất; nh− hình 1- 9b. Trong đó Mđh là mômen đàn hồi. Trang 17 BĐ ĐC TL MSX Phần điện ĐK Phần cơ Hình 1- 8: Sơ đồ cấu trúc hệ TĐĐ TĐ ϕ1 ϕ2MĐ MC Mđh J1 J2 Động cơ Khâu đàn hồi Máy sản xuất a) Khâu đàn hồi F1 F2 m1 m2 b) Fđh Fđh JCJđ MCM ω K c) ωC Hình 1- 10: Mẫu cơ học đa khối của hệ chuyển động quay (a), chuyển động tịnh tiến (b) có khâu cơ khí đàn hồi, và hệ trục mềm đàn hồi (c). ω M J Hình 1- 9: Mẫu cơ học Mc ThS. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Câu hỏi ôn tập 1. Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống truyền động điện là gì ? 2. Có máy loại máy sản xuất và cơ cấu công tác ? 3. Hệ thống truyền động điện gồm các phần tử và các khâu nào ? Lấy ví dụ minh họa ở một máy sản xuất mà các anh (chị) đã biết ? 4. Mômen cản hình thành từ đâu ? Đơn vị đo l−ờng của nó ? Công thức quy đổi mômen cản từ trục của cơ cấu công tác về trục động cơ ? 5. Mômen quán tính là gì ? Đơn vị đo l−ờng của nó ? Công thức tính quy đổi mômen quán tính từ tốc độ ωi nào đó về tốc độ của trục động cơ ω ? 6. Thế nào là mômen cản thế năng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị theo tốc độ ? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản thế năng. 7. Thế nào là mômen cản phản kháng? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản phản kháng. 8. Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất. Ph−ơng trình tổng quát của nó và giải tích các đại l−ợng trong ph−ơng trình ? 9. Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện; cần trục, máy bào, máy bơm. 10. Viết ph−ơng trình chuyển động cho hệ truyền động điện có phần cơ dạng mẫu cơ học đơn khối và giải thích các đại l−ợng trong ph−ơng trình ? 11. Dùng ph−ơng trình chuyển động để phân tích các trạng thái làm việc của hệ thống truyền động t−ơng ứng với dấu của các đại l−ợng M và Mc ? 12. Định nghĩa đặc tính cơ của động cơ điện ? 13. Định nghĩa độ cứng đặc tính cơ ? Có thể xá định độ cứng đặc tính cơ theo những cách nào ? Trang 18 14. Phân biệt các trạng thái động cơ và các trạng thái hãm của động cơ điện bằng những dấu hiệu nào ? Lấy vị dụ thực tế về trạng thái hãm của động cơ trên một cơ cấu mà anh (chị) đã biết ? 15. Chiều của dòng năng l−ợng sẽ nh− thế nào khi động cơ làm việc ở trạng thái động cơ ? 16. Chiều của dòng năng l−ợng sẽ nh− thế nào khi động cơ làm việc ở trạng thái máy phát ? 17. Điều kiện ổn định tĩnh là gì ? Phân tích một điểm làm việc xác lập ổn định tĩnh trên tọa độ [M, ω] và [Mc, ω]. 18. Mẫu cơ học đơn khối là gì ? Khi nào thì dùng mẫu cơ học đơn khối để khảo sát hệ thống truyền động điện ? 19. Mẫu cơ học đa khối là gì ? Khi nào thì dùng mẫu cơ học đa khối để khảo sát hệ thống truyền động điện ? Trang 19 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ch−ơng 2: ĐặC TíNH CƠ CủA Động cơ điện Đ 2.1. KHáI NIệM CHUNG Ch−ơng 1 đã cho ta thấy, khi đặt hai đ−ờng đắc tính cơ M(ω) và Mc(ω) lên cùng một hệ trục tọa độ, ta có thể xác định đ−ợc trạng thái lamg việc của động cơ và của hệ (xem hình 1-2 và hình 1-3): trạng thái xác lập khi M = Mc ứng với giao điểm của hai đ−ờng đặc tính M(ω) và Mc(ω); hoặc trạng thái quá độ khi M ≠ Mc tại những vùng có ω ≠ ωxl ; trạng thái động cơ thuộc góc phần t− thứ nhất và thứ ba; hoặc trạng thái hãm thuộc góc phần t− thứ hai và thứ t−. Khi phân tích các hệ truyền động, ta th−ờng coi máy sản xuất đã cho tr−ớc, nghĩa là coi nh− biết tr−ớc đặc tính cơ Mc(ω) của nó. Vậy muốn tìm kiếm một trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu nh− tốc độ, mômen, dòng điện động cơ v... ta phải tạo ra những đặc tính cơ của động cơ t−ơng ứng. Muốn vậy, ta phải ta phải nắm vững các ph−ơng trình đặc tính cơ và các đặc tính cơ của các loại động cơ điện, từ đó hiểu đ−ợc các ph−ơng pháp tạo ra các đặc tính cơ nhân tạo phù hợp với máy sản xuất đã cho và điều khiển động cơ sao cho có đ−ợc các trạng thái làm việc theo yêu cầu công nghệ. Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu định mức của nó. Trong nhiều tr−ờng hợp ta coi đặc tính này nh− loạt số liệu cho tr−ớc. Mặt khác nó có thể có vô số đặc tính cơ nhân tạo có đ−ợc do biến đổi một hoặc vài thông số của nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do thay đổi cách nối dây của mạch, hoặc do dùng thêm thiết bị biến đổi. Do đó bất kỳ thông số nào có ảnh h−ởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều đ−ợc coi là thông số điều khiển động cơ, và t−ơng ứng là một ph−ơng pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh. Ph−ơng trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ng−ợc ω = f(M). Trang 20 Đ 2.2. ĐặC TíNH CƠ CủA động cơ một chiều kích từ độc lập (ĐMđl) 2.2.1. Sơ đồ nối dây của ĐMđl và ĐMss: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (ĐMđl): nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau. Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ đ−ợc gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song (ĐMss). 2.2.2. Các thông số cơ bản của ĐMđl: Các thông số định mức: nđm(vòng/phút); ωđm(Rad/sec); Mđm(N.m hay KG.m); Φđm(Wb); fđm(Hz); Pđm(KW); Uđm(V); Iđm(A); ... Các thông số tính theo các hệ đơn vị khác: ω* = ω/ωđm ; M* = M/Mđm ; I* = I/Iđm; Φ* = Φ/Φđm; R* = R/Rđm; Rcb = Uđm/Iđm,; ω%; M%; I%; ... Trang 21 a) b) Hình 2-1: a) Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập. b) Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song. Ckt Rktf Ikt I− I− Ikt + U - + Ukt - Rktf R−f E R−f E + U− - Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.2.3. Ph−ơng trình đặc tính cơ - điện và đặc tính cơ của ĐMđl: Theo sơ đồ hình 2-1a và hình 2-1b, có thể viết ph−ơng trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng nh− sau: U− = E + (R− + R−f).I− (2-1) Trong đó: U− là điện áp phần ứng động cơ, (V) E là sức điện động phần ứng động cơ (V). ω⋅φ=ω⋅φ⋅π Ka2 p.N=E (2-2) a2 N.p K π= là hệ số kết cấu của động cơ. Hoặc: E = Keφ.n (2-3) Và: 55,9 n 60 n2 =π=ω Vậy: Ke = 55,9 K = 0,105.K R− là điện trở mạch phần ứng, R− = r− + rctf + rctb + rtx , (Ω). Trong đó: r− là điện trở cuộn dây phần ứng của động cơ (Ω). Rctf là điện trở cuộn dây cực từ phụ của động cơ (Ω). Rctb là điện trở cuộn dây cực từ bù của động cơ (Ω). Rctb là điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của động cơ (Ω). R−f là điện trở phụ mạch phần ứng. I− là dòng điện phần ứng. Từ (2-1) và (2-2) ta có: Trang 22 I K R+R K U ổ ổfổổ φ−φ=ω (2-4) Đây là ph−ơng trình đặc tính cơ - điện của động cơ một chiều kích từ độc lập. Mặt khác, mômen điện từ của động cơ đ−ợc xác định: Mđt = KφI− (2-5) Khi bỏ qua tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ, tổn thất thép thì có thể coi: Mcơ ≈ Mđt ≈ M Suy ra: I− = φ≈φ K M K Mõt (2-6) Thay giá trị I− vào (2-4), ta có: M )K( R K U M )K( R+R K U 2 ổổ 2 ổfổổ φ−φ=φ−φ=ω Σ (2-7) Đây là ph−ơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Có thể biểu diễn đặc tính cơ d−ới dạng khác: ω = ω0 - ∆ω (2-8) Trong đó: φ=ω K Uổ 0 gọi là tốc độ không tải lý t−ởng. (2-9) )K( R )K( RR 2 ổ 2 fổổ φ=φ +=ω∆ Σ gọi là độ sụt tốc độ. (2-10) Từ các ph−ơng trình đặc tính cơ điện (2-4) và ph−ơng trình đặc tính cơ (2-8) trên, với giả thiết phần ứng đ−ợc bù đủ và φ = const thì ta có thể vẽ đ−ợc các đặc tính cơ - điện (hình 2-2a) và đặc tính cơ (hình 2-2b) là những đ−ờng thẳng. Trang 23 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đặc tính cơ tự nhiên (TN) là đặc tính cơ có các tham số định mức và không có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ: M )K( R K U 2 õm ổõm õm ổõm φ−φ=ω (2-11) Đặc tính cơ nhân tạo (NT) là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ. Khi ω = 0, ta có: nm ổfổ ổ ổ IRR UI =+= (2-12) Và: nmnm ổfổ ổ MKIK RR UM =φ⋅=φ⋅+= (2-13) Trong đó: Inm - gọi là dòng điện (phần ứng) ngắn mạch Mnm - gọi là mômen ngắn mạch Trang 24 Từ (2-7) ta xác định đ−ợc độ cứng đặc tính cơ : ổfổ 2 RR )K( d dM + φ−=ω=β (2-14) Đối với đặc tính cơ tự nhiên: ổ 2 dm tn R )K( φ−=β (2-15) Và: * − * tn R 1−=β (2-16) Nếu ch−a có giá trị R− thì ta có thể xác định gần đúng dựa vào giả thiết coi tổn thất trên điện trở phần ứng do dòng điện định mức gây ra bằng một nửa tổn thất trong động cơ: Ωη−= , I U)1.(5,0R õm õm õmổ (2-17) * Ví dụ 2-1: Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các số liệu sau: Động cơ làm việc dài hạn, công suất định mức là 6,6KW; điện áp định mức: 220V; tốc độ định mức: 2200vòng/phút; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26Ω; điện trở phụ đ−a vào mạch phần ứng: 1,26Ω. * Giải: a) Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên: Đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 điểm: là điểm định mức [Mđm; ωđm] và điểm không tải lý t−ởng [M = 0; ω = ω0]. Hoặc điểm không tải lý t−ởng [M = 0; ω = ω0] và điểm ngắn mạch [Mnm; ω = 0]. Hoặc điểm định mức [Mđm; ωđm] và điểm ngắn mạch [Mnm; ω = 0]. Trang 25 ω ω0 ωđm TN ωnt NT Iđm Inm I− a) ω ω0 ωđm TN ωnt NT Mđm Mnm M b) Hình 2-2: a) Đặc tính cơ - điện động cơ một chiều kích từ độc lập. b) Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Tốc độ góc định mức: rad/s3,230 55,9 2200 55,9 nõm õm ===ω Mômen (cơ) định mức: ...ằng bình ph−ơng lần của hệ số quá tải dòng điện: K'qtM = K2qtI. Mômen của ĐMnt Không phụ thuộc vào sụt áp trên đ−ờng dây tải điện, nghĩa là nếu giữ cho dòng điện trong động cơ định mức thì mômen động cơ cũng là định mức, cho dù động cơ nối ở đầu đ−ờng dây hay ở cuối đ−ờng dây. Trang 54 2.3.7. Đặc điểm, đặc tính cơ động cơ ĐMhh : Sơ đồ nguyên lý của động cơ ĐMhh nh− hình 2-19, với hai cuộn kích từ song song và nối tiếp tạo ra từ thông kích từ động cơ: φ = φs + φn (2-57) Trong đó: φs là phần từ thông do cuộn kích từ song song tạo nên; φs = (0,75 ữ 0,85)φđm và không phụ thuộc vào dòng phần ứng, tức không phụ thuộc vào phụ tải. Còn φn là phần từ thông do cuộn kích từ nối tiếp tạo ra, nó phụ thuộc vào dòng phần ứng. Khi phụ tải Mc = Mđm thì I− = Iđm, t−ơng ứng: φn.đm = (0,25 ữ 0,15)φđm Do có hai cuộn kích từ nên đặc tính cơ của ĐMhh vừa có dạng phi tuyến nh− ĐMnt, đồng thời có điểm không tải lý t−ởng [0, ω0] nh− của ĐMđl, hình 2-20, trong đó tốc độ không tải lý t−ởng có giá trị khá lớn so với tốc độ định mức: ω0 ≈ (1,3 ữ 1,6) ωđm . Động cơ ĐMhh có ba trạng thái hãm t−ơng tự nh− ĐMđl. ω ωôđ Mc M -ωôđ A’ b) Mc ’ U + - Ckt Ikt I− e R−f a) Hình 2-18: a) Sơ đồ đảo chiều điện áp U− của ĐMnt . b) Đặc tính cơ khi đảo chiều U− của ĐMnt (ĐCth) (ĐCng) A M ω M ω ω ω0 0 Mc M -ωôđ b) U + - I− e a) Hình 2-20: a) Sơ đồ nối dây ĐMhh . b) Đặc tính cơ của ĐMhh R−f TN Igh RktfIktsCks Ckn Iktn R−f Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trang 55 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 2.4. ĐặC TíNH CƠ CủA động cơ không đồng bộ (ĐK) 2.4.1. Các giả thiết, sơ đồ thay thế, đặc tính cơ của động cơ ĐK: 2.4.1.1. Các giả thiết: Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ ĐK lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ). Để đơn giản cho việc khảo sát, nghiên cứu, ta giả thiết: + Ba pha của động cơ là đối xứng. + Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc nhiệt độ, tần số, mạch từ không bảo hoà nên điện trở, điện kháng, ... không thay đổi. + Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi, dòng từ hoá không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato. + Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép. + Điện áp l−ới hoàn toàn sin và đối xứng. Trang 56 2.4.1.2. Sơ đồ thay thế: Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ nh− hình 2-23. X’2I1 X1 R1 Trong đó: R’2/s I’2XàĐộng cơ không đồng bộ (ĐK) nh− hình 2-21, đ−ợc sử dụn g rộng rãi tron g thực tế. Ưu điểm nỗi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậ y, vốn đầu t− ít, giá thành hạ, trọng l−ợng, kích th−ớc nhỏ hơn khi cùn g công suất định mức so với động cơ một chiều. Sử dụn g trực tiếp l−ới điện xoay chiều 3 pha ... U1f là trị số hiệu dụng của U1f điện áp pha stato (V). I1, Ià, I’2 là các dòng stato, mạch từ hóa, rôto đã quy đổi về stato (A). X1, Xà, X’2 là điện kháng stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato (Ω). R1, Rà, R’2 là điện trở stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato (Ω). R’2f là điện trở phụ (nếu có) ở mỗi pha rôto đã quy đổi về stato (Ω). s là hệ số tr−ợt của động cơ: 0 0 1 1s ω ω−ω=ω ω−ω= (2-58) Trong đó: ω1 = ω0 là tốc độ của từ tr−ờng quay ở stato động cơ, còn gọi là tốc độ đồng bộ (rad/s): p f2 1 01 π=ω=ω (2-59) ω là tốc độ góc của rôto động cơ (rad/s). Trong đó: f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato (Hz), p là số đôi cực của động cơ, 2.4.1.3. Biểu đồ năng l−ợng của ĐK: Với các giả thiết ở trên, ta có biểu đồ năng l−ợng của động cơ ĐK 3 pha nh− hình 2-24: Trang 57 ĐKls Hình 2-21: Động cơ không đồng bộ lồng s (ĐK óc ls) và dây quấn (ĐKdq) ~ ~ Ià R’2f/s Rà Hình 2-23: Sơ đồ thay thế ĐKdq R2f ĐKdq Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trong biểu đồ năng lựong: P1 là công suất điện từ đ−a vào 3 pha stato động cơ ĐK ∆P1 = ∆PCu1 là tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng stato P12 là công suất điện từ truyền giữa stato và rôto động cơ ĐK ∆P2 = ∆PCu2 là tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng rôto P2 là công suất trên trục động cơ, hay là công suất cơ của ĐK truyền động cho máy sản xuất. 2.4.1.4. Ph−ơng trình và đặc tính cơ ĐK: Từ sơ đồ thay thế hình 2-23, ta tính đ−ợc dòng stato: ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + ++= Σàà 2 nm 2' 2 1 22f11 X s RR 1 XR 1UI (2-60) Trong đó: R’2Σ = R’2 + R’2f là điện trở tổng mạch rôto. Xnm = X1 + X ’ 2 là điện kháng ngắn mạch. Từ ph−ơng trình đặc tính dòng stato (2-60) ta thấy: Trang 58 Khi ω = 0, s = 1, ta có: I1 = I1nm - dòng ngắn mạch của stato. Khi ω = ω0, s = 0, ta có: à àà =⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ += IXR 1UI 22f11 Nghĩa là ở tốc độ đồng bộ, động cơ vẫn tiêu thụ dòng điện từ hoá để tạo ta từ tr−ờng quay. Trị số hiệu dụng của dòng rôto đã quy đổi về stato: I U R R s X f nm 2 1 1 2 2 2 ' ' = +⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ + Σ (2-61) Ph−ơng trình (2-61) là quan hệ giữa dòng rôto I’2 với hệ số tr−ợt s hay giữa I’2 với tốc độ ω, nên gọi là đặc tính điện-cơ của động cơ ĐK, (hình 2-25). Qua (2-61) ta thấy: Khi ω = ω0, s = 0, ta có: I’2 = 0. Khi ω = 0, s = 1, ta có: I U R R X If nm nm2 1 1 2 2 2 2 ' ' ' ( ) = + + =Σ Trong đó: I’2nm là dòng ngắn mạch của rôto hay dòng khởi động. Trang 59 P1 = 3U1fI1cosφ P1 2 P2 = Ptrục = Pcơ ∆P2 = ∆PCu2 ∆P1 = ∆PCu1 Hình 2-24: Biểu đồ năng l−ợng của động cơ ĐKdq ω ~ ω0 ĐKdq R2f 0 I’nm I’2 Hình 2-26: Đặc tính điện-cơ của ĐK Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Để tìm ph−ơng trình đặc tính cơ của ĐK, ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: công suất điện chuyển từ stato sang rôto: P12 = Mđt.ω0 (2-62) Mđt là mômen điện từ của động cơ, nếu bỏ qua các tổn thất phụ: Mđt = Mcơ = M (2-63) Và: P12 = Pcơ + ∆P2 (2-64) Trong đó: Pcơ = M.ω là công suất cơ trên trục động cơ. ∆P2 = 3I’22.R’2Σ là tổn hao công suất đồng trong rôto. Do đó: M.ω0 = M(ω0 - ω) = M.ω0.s Vậy: M I R s= 3 2 2 2 0 . . /' ' Σ ω (2-65) Thay (3-4) vào (3-8) và biến đổi ta có : M .U .R s R R s X f ' nm = +⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ + ⎡ ⎣ ⎢⎢ ⎤ ⎦ ⎥⎥ 3 1 2 2 0 1 2 2 2 Σ Σ. . ' ω (2-66) Ph−ơng trình (2-66) là ph−ơng trình đặc tính cơ của ĐK. Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đ−ờng cong nh− hình 2-27b. Có thể xác định các điểm cực trị của đ−ờng cong đó bằng cách cho đạo hàm dM/ds = 0, ta sẽ đ−ợc các trị số về độ tr−ợt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth tại điểm cực trị: s R R X th nm = ± + 2 1 2 2 Σ ' (2-67) Và: ( )M UR R Xth f nm= ± ± +1 2 0 1 1 2 22ω . (2-68) Trang 60 Trong các biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, còn dấu (-) ứng với trạng thái máy phát, (MthĐ > MthF). Ph−ơng trình đặc tính cơ của ĐK có thể biểu diễn theo closs: M M as s s s s as th th th th th = + + + 2 1 2 ( ) (2-69) Trong đó: a = R1/R ’ 2Σ. Mth và sth lấy theo (2-67) và (2-68). Đối với động cơ ĐK công suất lớn, th−ờng R1 rất nhỏ so với Xnm nên có thể bỏ qua R1 và asth ≈ 0, khi đó ta có dạng closs đơn giản: M M s s s s th th th = + 2 (2-70) Lúc này: nm0 2 f1 th nm ' 2 th X2 U3M ; X Rs ω±≈±≈ Σ (2-71) Trang 61 Hình 2-27: Đặc tính cơ của ĐK ĐKdq ~ (đoạn làm việc) ω R2f a) ω0 0 Mnm Mth M sth (+) Mc(ω) (1) (2) (đoạn khởi động) b) Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động + Trong nhiều tr−ờng hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách truyến tính hoá đạc tính cơ trong đoạn làm việc. Ví dụ ở vùng độ tr−ợt nhỏ s < 0,4sth thì ta xem s/sth ≈ 0 và ta có: M M s sth th = ⋅2 (2-72) Có thể tuyến tính hóa đoạn đặc tính cơ làm việc qua 2 điểm: điểm đồng bộ (không tải lý t−ởng) và điểm định mức: M M s s= đm đm (2-73) Trên đặc tính cơ tự nhiên, thay M = Mđm, Mth = λMđm, ta có: ( )1SS 2đmth −λ+λ= (2-74) Qua dạng đặc tính cơ tự nhiên của ĐK hình 2-27, một cách gần đúng ta tính độ cứng đặc tính cơ trong đoạn làm việc: đm0 đm 0 s M ds dM1 d dM ω=⋅ω=ω=β (2-75) Và: đm0 đm* s 1 /d M/dM =ωω=β (2-76) + Đối với đoạn đặc tính có s >> sth thì coi sth/s ≈ 0 và ta có: M M s s th th= 2 . (2-77) Và: β ω= 2 0 2 M s s th th. . (2-78) Trong đoạn này độ cứng β > 0 và giá trị của nó thay đổi, đây th−ờng là đoạn động cơ khởi động. Trang 62 2.4.2. ảnh h−ởng của các thông số đến đặc tính cơ của ĐK: Qua ch−ơng trình đặc tính cơ bản của hoạt động cơ ĐK, ta thấy các thông số có ảnh h−ởng đến đặc tính cơ ĐK nh−: Rs, Rr, Xs, Xr, UL, fL, Sau đây, ta xét ảnh h−ởnh của một số thông số: 2.4.2.1. ảnh h−ởng của điện áp l−ới (Ul): Khi điện áp l−ới suy giảm, theo biểu thức (2-68) thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm bình ph−ơng lần độ suy giảm của UL. Trong khi đó tốc độ đồng bộ ωo, hệ số tr−ợt tới hạn Sth không thay đổi, ta có dạng đặc tính cơ khi UL giảm nh− hình 2-28. Qua đồ thị ta thấy: với một mômen cản xác định (MC), điện áp l−ới càng giảm thì tốc độ xác lập càng nhỏ. Mặt khác, vì mômen khởi động Mkđ = Mnm và mômen tới hạn M th đều giảm theo điện áp, nên khả năng quá tải và khởi độn g bị giảm dần. Do đó, nếu điện áp quá nhỏ (đ−ờng U2, ) thì hệ truyền động trên có thể không khởi động đ−ợc hoặc không làm việc đ−ợc. Mc(ω) ω 2.4.2.2. ảnh h−ởng của điện trở, điện kháng mạch stato: Khi điện trở hoặc điện kháng mạch stato bị thay đổi, hoặc thêm điện trở phụ (Rlf), điện kháng phụ (Xlf) vào mạch stato, nếu ωo = const, và theo biểu thức (2-67), (2-68) thì mômen Mth và Sth đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng nh− hình 2-29. Trang 63 Hình 2-28: ảnh h−ởng của UL ω0 0 Mth2 Mth1 Mth M TN (Uđm) U1<Uđm sth U2<U1 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.4.2.3. ảnh h−ởng của điện trở, điện kháng mạch rôto: Khi thêm điện trở phụ (R2f), điện kháng phụ (X2f) vào mạch rôto động cơ, thì ωo = const, và theo (2-67), (2-68) thì Mth = const; còn Sth sẽ thay đổi, nên đặc tính cơ có dạng nh− hình 2-30. Trang 64 2.4.2.4. ảnh h−ởng của tần số l−ới cung cấp cho động cơ: Qua đồ thị ta thấy: với mômen Mkđ = Mnm.f thì đoạn làm việc của đặc tính cơ có điện kháng phụ (Xlf) cứng hơn đặc tính có Rlf. Khi tăng Xlf hoặc Rlf thì Mth và Sth đều giảm. Khi dùng Xlf hoặc Rlf để khởi động nhằm hạn chế dòng khởi động, thì có thể dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch để xác định Xlf hoặc Rlf. Mc(ω)ω Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (f1) thay đổi thì tốc độ từ tr−ờng ωo và tốc độ của động cơ ω sẽ thay đổi theo. Vì ωo = 2π.f1/p, và X = ω.L, nên ωo ≡ f1, ω ≡ f1 và X ≡ f1. * Ví dụ 2 - 5: Cho một động cơ không đồng bộ rôto dây quấn (ĐKdq) có: Pđm = 850KW ; Uđm = 6000V ; nđm = 588vg/ph ; λ = 2,15 ; E2đm = 1150V ; I2đm = 450A. Tính và vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn với điện trở phụ mỗi pha rôto là: R2f = 0,75Ω. Trang 65 Hình 2-29: ảnh h−ởng của Rlf, Xlf ω0 0 Mnmf Mnm Mth M TN sth R1f > 0 X1f > 0 Qua đồ thị ta thấy: Khi tần số tăng (f13 > f1.đm), thì Mth sẽ giảm, (với điện áp nguồn U1 = const) thì : 2 1 th f 1 (hình 2-31). M ≅ Khi tần số nguồn giảm (f11 < f1đm, ) càng nhiều, nếu giữ điện áp u1 không đổi, thì dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn. Do vậy, khi giảm tần số cần giảm điện áp theo quy luật nhất định sao cho động cơ sinh ra mômen nh− trong chế độ định mức. ω Mc(ω) Qua đồ thị ta thấy: đặc tính cơ khi có R2f, X2f càng lớn thì Sth càng tăng, độ cứng đặc tính cơ càng giảm, với phụ tải không đổi thì khi có R2f, X2f càng lớn thì tốc độ làm việc của động cơ càng bị thấp, và dòng điện khởi động càng giảm. Hình 2-30: ảnh h−ởng của R2f, X2f ω ω0 0 Mth M sth R2f2 > R2f1 X2f2 > X2f1 Mc(ω) TN R2f1, X2f1 > 0 sth1 sth2 Hình 2-31: ảnh h−ởng của f1 ω0 0 Mth M TN, f1đm f11 < f1đm f14 > f13 ω ω04 f13 > f1đm 03 ω01 ω02 f12 < f11 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động * Giải : Với động cơ có công suất lớn, ta có thể sử dụng ph−ơng trình gần đúng (2-70) coi R1 rất nhỏ hơn R2 tức a = 0. Độ tr−ợt định mức: 02,0 600 588600 n nns o đmo đm =−=−= Mômen định mức: N.m 13805 55,9/588 1000.850 55,9/n 1000PM đm đm đm === , hoặc 1M*đm = Mômen tới hạn: Mth = λMđm = 2,15.13085 = 29681 N.m, hoặc 15,2M * đm = Điện trở định mức: Ω== 1,476I3/ER đm.2nm.2đm Điện trở dây quấn rôto: Ω==== 0295,0476,1.02,0RsRRR đmđmđm*22 Độ tr−ợt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên cá định theo (2-74): ( ) ( ) 08,0115,215,202,01ss 22đmth =−+=−λ+λ= Ph−ơng trình đặct tính cơ tự nhiên: s 08,0 08,0 s 362,59 s s s s M2M th th th + = + = hoặc s s s s 2M th th * + λ= Với mômen ngắn mạch: đmnm 0,35M Nm 4777 08,0 08,0 1 59362M == + = Trang 66 Theo đó ta vẽ đ−ợc đ−ờng đặc tính tự nhiên nh− trên hình 2-32 đi qua 4 điểm: điểm không tải [M = 0; s = 0]; điểm định mức [ * =1; s đmM đm = 0,02]; điểm tới hạn TH [ =2,15; s * thM đm = 0,08]; điểm ngắn mạch NM [ =0,35; s*nmM đm = 1]. Đối với đặc tính nhân tạo có Rf = 0,175Ω ta có độ tr−ợt tới hạn nhân tạo: 55,0 0295,0 175,00295,008,0 R RRss 2 f2 thnt.th =+=+= Ph−ơng trình đặc tính cơ nhân tạo sẽ là: s 55,0 55,0 s 2M* + λ= Và đặc tính đ−ợc vẽ trên cùng đồ thị hình 2-32. S Trang 67 Sđm = 0,02 TN 0 0,08 Điểm TH NT 0,55 Điểm NM 1 0 0,35 1 2,15 M Hình 2-32: Các đặc tính cơ TN và NT trong ví dụ 2-5 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.4.3. Đặc tính cơ của động cơ ĐK khi khởi động: 2.4.3.1. Khởi động và tính điện trở khởi động: + Nếu khởi động động cơ ĐK bằng ph−ơng pháp đóng trực tiếp thì dòng khởi động ban đầu rất lớn. Nh− vậy, t−ơng tự khởi động ĐMđl, ta cũng đ−a điện trở phụ vào mạch rôto động cơ ĐK có rôto dây quấn để han chế dòng khởi động: đmcpkđđb III 5,2=≤ .Và sau đó thì loại dần chúng ra để đ−a tốc độ động cơ lên xác lập. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động đ−ợc trình bày trên hình 2-33 (hai cấp khởi động m = 2). * Xây dựng các đặc tính cơ khi khởi động ĐK: + Từ các thông số định mức (Pđm; Uđm; Iđm; nđm; ηđm;) và thông số tảI (Ic; Mc; Pc;) số cấp khởi động m, ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên. Trang 68 + Vì đặc tính cơ của động cơ ĐK là phi tuyến, nên để đơn giản, ta dùng ph−ơng pháp gần đúng: theo toán hoc đã chứng minh thì các đ−ờng đặc tính khởi động của động cơ ĐK tuyến tính hóa sẽ hội tụ tại một điểm T nằm trên đ−ờng ωo = const phía bên phải trục tung của tọa độ (ω, M) nh− hình 2-33. + Chọn: Mmax = M1 = (2ữ2,5)Mđm ; hoặc Mmax = 0,85Mth và Mmin = M2 = (1,1ữ1,3)Mc trong quá trình khởi động. + Sau khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động động cơ ĐK, ta tiến hành xây dựng đặc tính khởi động t−ơng tự động cơ ĐMđl, cuối cùng ta đ−ợc các đặc tính khởi động gần đúng edcbaXL nh− hình 2-33. Nếu điểm cuối cùng gặp đặc tính TN mà không trùng với giao điểm của đặc tính cơ TN mà M1 = const thì ta phải chọn lại M1 hoặc M2 rồi tiến hánh lại từ đầu. ~ 2.4.3.2. Tính điện trở khởi động: *Dùng ph−ơng pháp đồ thị: + Khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động động cơ ĐK, ta có: 2 f22 TN NT R RR S S −= ; (2-79) Rút ra: 2 TN TNNT f2 RS SSR −= ; (2-80) Từ đồ thị ta có điện trở phụ các cấp: 221f2 Rhe acR he hchaR =−= ; (2-81) 222f2 Rhe ceR he hehcR =−= ; (2-82) Trang 69 Hình 2-33: a) Sơ đồ nối dây ĐK khởi động 2 cấp, m = 2 b) Các đặc tính cơ khởi động ĐMđl, m = 2 ω ĐK R2f2 a) ω0 0 Mc M2 M1 Mth M sNT h TNT xl asTN b c d K2 K2 K1 K1 R2f1 e b) Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.4.4. Các đặc tính cơ khi hãm động cơ ĐK: Động cơ điện ĐK cũng có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ng−ợc và hãm động năng. 2.4.4.1. Hãm tái sinh: Động cơ ĐK khi hãm tái sinh: ω > ωo, và có trả năng l−ợng về l−ới. Hãm tái sinh động cơ ĐK th−ờng xảy ra trong các tr−ờng hợp nh−: có nguồn động lực quay rôto động cơ với tốc độ ω > ωo (nh− hình 2-34a,b), hay khi giảm tốc độ động cơ bằng cách tăng số đôi cực (nh− hình 2-35a,b), hoặc khi động cơ truyền động cho tải có dạng thế năng lúc hạ tải với |ω| > |-ωo| bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato của động cơ (nh− hình 2-6a,b). a) Hãm tái sinh khi MSX trở thành nguồn động lực: Trong quá trình làm việc, khi máy sản xuất (MSX) trở thành nguồn động lực làm quay rôto động cơ với tốc độ ω > ω0, động cơ trở thành máy phát phát năng l−ợng trả lại nguồn, hay gọi là hãm tái sinh, hình 2-34. Trang 70 Ph−ơng trình đặc tính cơ trong tr−ờng hợp này là: s s s s M2M th th th + ≈ (2-83) Với: nm0 2 f1 th nm ' 2 th X2 U3M và; X Rs ω≈≈ Σ (2-84) Và: ω > ω0 ; I’2 = Ihts < 0 ; M = Mhts < 0 (tại điểm B) b) Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách tăng số đôi cực: Động cơ đang làm việc ở điểm A, với p1, nếu ta tăng số đôi cực lên p2 > p1 thì động cơ sẽ chuyển sang đặc tính có ω2 và làm việc với tốc độ ω > ω2, trở thành máy phát, hay là HTS, hình 2-35. Ph−ơng trình đặc tính cơ trong tr−ờng hợp này chỉ khác là: 2 1 0 2nm02 2 f1 th 2nm ' 2 th p f2 và; X2 U3M ; X Rs π=ωω≈≈ Σ ; (2-85) Và: ω > ω02 ; I’2 = Ihts < 0 ; M = Mhts < 0 (đoạn Bω02) Trang 71 ĐK ~ R2f a) Hình 2-34: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi hãm tái sinh (HTS) b) Đặc tính hãm tái sinh khi: ω > MSX ω ω0 Mhts 0 M B (m/f) A(đ/c) Mc(ω) b) HTS Hình 2-35: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi HTS bằng cách tăng p b) Đặc tính HTS khi thay đổi số đôi cực: p2 > p1. ω ω01 Mhts 0 Mc M B(m/f) A b) C p1 < p2 ω02 (đ/c) ~ ĐK MSX HTS R2f a) Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động c) Hãm tái sinh khi đảo chiều từ tr−ờng stato động cơ: Động cơ đang làm việc ở chế độ động cơ (điểm A), nếu ta đảo chiều từ tr−ờng stato, hay đảo 2 trong 3 pha stato động cơ (hay đảo thứ tự pha điện áp stato động cơ), với phụ tải là thế năng, động cơ sẽ đảo chiều quay và làm việc ở chế độ máy phát (hay hãm tái sinh, điểm D), nh− trên hình 2-36. Nh− vậy khi hạ hàng ta có thể cho động cơ làm việc ở chế độ máy phát, đồng thời tạo ra mômen hãm để cho động cơ hạ hàng với tốc độ ổn định ωD. Ph−ơng trình đặc tính cơ trong tr−ờng hợp này thay ω0 bằng -ω0: ; X)(2 U3M ; X Rs nm0 2 f1 th nm ' 2 th ω−≈≈ Σ (2-86) Và : |ω0| > |-ω0| , M = Mhts (điểm D, hạ tải ở chế độ HTS). Trang 72 2.4.4.2. Hãm ng−ợc động cơ ĐK: Hãm ng−ợc là khi mômen hãm của động cơ ĐK ng−ợc chiều với tốc độ quay (M ng−ợc chiều với ω). Hãm ng−ợc có hai tr−ờng hợp: a) Hãm ng−ợc bằng cách đ−a điện trở phụ lớn vào mạch rôto: Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đóng thêm điện trở hãm lớn (Rhn> = R2f>) vào mạch rôto, lúc này mômen động cơ giảm (M < Mc) nên động cơ bị giảm tốc độ do sức cản của tải. Động cơ sẽ chuyển sang điểm B, rồi C và nếu tải là thế năng thì động cơ sẽ làm việc ổn định ở điểm D (ωD = ωôđ ng−ợc chiều với tốc độ tại điểm A) trên đặc tính cơ có thêm điện trở hãm Rhn>, và đoạn CD là đoạn hãm ng−ợc, động cơ làm việc nh− một máy phát nối tiếp với l−ới điện (hình 2-37). Động cơ vừa tiêu thụ điện từ l−ới vứa sử dụng năng l−ợng thừa từ tải để tạo ra mômen hãm. Với: nm0 2 f1 th nm ' f2 ' 2 th X2 U3M và ; X RRs ω≈ +≈ > (2-87) ω Trang 73 ĐK ~ R2f> a) b) ω ω0 0 Mn Mc M D A (đ/c) B HN R2f> C ωụđ Hình 2-37: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi hãm ng−ợc với R2f> . b) Đặc tính hãm ng−ợc (HN) khi có: R2f>. ω0 0 Mc M A (đ/c) (1) b) ~ MSX ĐK D(m/f) (2) -ω0 R2f G HTS a) Hình 2-36: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi HTS bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato động cơ ĐK b) Đặc tính HTS đảo 2 trong 3 pha stato động cơ (hay đảo thứ tự pha điện áp stato động cơ ĐK Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động b) Hãm ng−ợc bằng cách đảo chiều từ tr−ờng stato: Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều từ tr−ờng stato (đảo 2 trong 3 pha stato động cơ, hay đảo thứ tạ pha điện áp stato), hình 2-38. Khi đảo chiều vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế không quá dòng cho phép Iđch ≤ Icp, nên động cơ sẽ chuyển sang điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát, còn nếu là phụ tảI thế năng thì động cơ sẽ làm việc xác lập ở điểm E. Đoạn BC là đoạn hãm ng−ợc, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ. Với: ; X)(2 U3M ; X RRs nm0 2 f1 th nm ' f2 ' 2 th ω−≈ +≈ (2-88) ls 0 0 >ω ω−ω= (2-89) Trang 74 2.4.4.3.Hãm động năng động cơ ĐK: Có hai tr−ờng hợp hãm động năng động cơ ĐK: a) Hãm động năng kích từ độc lập (HĐN KTĐL): ~ Động cơ đang làm việc với l−ới điện (điểm A), khi cắt stato động cơ ĐK ra khỏi l−ới điện và đóng vào nguồn một chiều (U1c) độc lập nh− sơ đồ hình 2-39a. Do động năng tích lũy trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc nh− một máy phát cực ẩn có tốc độ và tần số thay đổi, và phụ tải của nó là điện trở mạch rôto. Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều này sẽ sinh ra một từ tr−ờng đứng yên Φ so với stato nh− hình 2-39b. Rôto động cơ do quán tính vẫn quay theo chiều cũ nên các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ tr−ờng đứng yên, do đó xuất hiện trong chúng một sức điện động e2. Vì rôto kín mạch nên e2 lại sinh ra i2 cùng chiều. Chiều của e2 và i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải: “+” khi e2 có chiều đi vào và “•” là đi ra. T−ơng tác giữa dòng i2 và Φ tạo nên sức từ động F có chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 2-39b). Trang 75 ω ω0 0 Mc M A (đ/c) b) (1) -ω0 HN D ωôđ Hình 2-38: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi Hãm ng−ợc bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato động cơ ĐK b) Đặc tính HN đảo chiều từ tr−ờng stato ĐK ĐK ~ R2f a) MSX B C M’c Mh.bđ ĐK R2f K MSX H Rđch + - U1c Hình 2-39: a)Sơ đồ nối dây ĐK khi HĐN KTĐL b) Sơ đồ nguyên lý tạo mômen hãm HĐN KTĐL + + + + Φ F ω Mh e2 R i2 F b) a) Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Chú ý rằng, trong tr−ờng hợp hãm ng−ợc vì: Lực F sinh ra mômen hãm Mh có chiều ng−ợc với chiều quay của rôto ω làm cho rôto quay chậm lai và sức điện động e2 cũng giảm dần. * Để thành lập ph−ơng trình đặc tính cơ của động cơ ĐK khi hãm động năng ta thay thế một cách đẳng trị chế độ máy phát đồng bộ có tần số thay đổi bằng chế độ động cơ không đồng bộ. Nghĩa là cuộn dây stato thực tế đấu vào nguồn một chiều nh−ng ta coi nh− đấu vào nguồn xoay chiều. Điều kiện đẳng trị ở đây là sức từ động do dòng điện một chiều (Fmc) và dòng điện xoay chiều đẳng trị (F1) sinh ra là nh− nhau: F1 = Fmc (2-90) Sức từ động xoay chiều do dòng đẳng trị (I1) sinh ra là: 111 I.w.22 3F = (2-91) Sức từ động một chiều do dòng một chiều thực tế sinh ra phụ thuộc vào cách đấu day của mạch stato khi hãm và biểu diễn tổng quát nh− sau: Fmc = a.w1.Imc (2-92) Cân bằng (2-91) và (2-92) và rút ra: mcmc 1 1 1 I.AI w.2 2 3 w.aI == (2-93) Trong đó: a, A là các hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch stato khi hãm động năng nh− bảng (2-2). Ví dụ, theo bảng (2-2), sơ đồ nối dây và đồ thị vectơ (a): mc1 o 1mcmc I.w.330cosw.I2F == (2-94) Trang 76 Và: a = 3 ; 3 2A = Đối với các sơ đồ đấu dây khác nhau của mạch stato, ta có thể xác định hệ số A theo bảng 2-2. Bảng 2-2 + Sơ đồ đấu dây mạch stato và đồ thị véc tơ sức điện động: Hệ số A: ; 32 1 :d) ; 3 2 :c) ; 2 2 :b) ; 3 2 :)a Dựa vào sơ đồ thay thế một pha của động cơ trong chế độ hãm động năng để xây dựng đặc tính cơ (hình 2-40). ở chế độ động cơ ĐK thì điện áp đặt vào stato không đổi, đó là nguồn áp, dòng từ hóa từ thông Φ không đổi, còn dòng điện stato I àI 1, dòng điện stato I2 biến đổi theo độ tr−ợt s. Trang 77 Rđch Imc/3 2Imc/3 +Um - c) Imc/3 W1 W1 Rđch Imc W1 Imc/2 +Um - b) Imc/2 W1 Rđch Imc W1 Imc +Um - a) Rđch +Um Imc/2 Imc/2 W1 - d) 30o ImcW1 2ImcW1/3 30o ImcW1/2 ImcW1 Fmc Fmc ImcW1 ImcW1/2 Fmc ImcW1/2 ImcW1/3 Fmc ImcW1/2 ImcW1/3 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Còn ở trạng thái hãm động năng kích từ độc lập, vì dòng điện một chiều Imc không đổi nên dòng xoay chiều đẳng trị cũng không đổi, do đó nguồn cấp cho stato là nguồn dòng. Mặt khác, vì tổng trở mạch rôto khi hãm phụ thuộc vào tốc độ nên dòng rôto I2 và dòng từ hóa Ià đều thay đổi, vậy nên từ thông Φ ở stato thay đổi theo tốc độ. Trong chế độ làm việc của động cơ ĐK, độ tr−ợt s là tốc độ cắt t−ơng đối của thanh dẫn rôto với từ tr−ờng stato, ở trạng thái hãm động năng nó đ−ợc thay bằng tốc độ t−ơng đối: o * ω ω=ω (2-95) Trang 78 Từ sơ đồ thay thế ta có: 2*' 2 2' 2 *' 2 2' 2 2 * ' 2 ' 2' 2 ).X(R .E XR EI ω+ ω= +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω = ΣΣ (2-96) X’2 Hay: 2*' 2 2' 2 * ' 2 ).X(R .X.I I ω+ ω= Σ àà (2-97) I’2 R’2 / ω* I1 Xà Trong đó: ' f2 ' 2 ' 2 RRR +=ΣE’2 Theo đồ thị vectơ ta có: R’2f / ω* Ià ; 22 ' 2 2 2 ' 2 2 1 )sinI()sinII(I ϕ+ϕ+= à Hình 2-40: Sơ đồ thay thế khi hãm động năng ĐK Hay ; (2-98) 22 ' 2 2' 2 22 1 )sinI.I2III ϕ++= àà Trong đó: 2*' 2 2' 2 *' 2 2 ).X(R .Xsin ω+ ω=ϕ Σ (2-99) Thay và sinφ'2I 2 vào (2-98), ta có: 2*' 2 '2 2Σ *2' 2 2 à 2*' 2 '2 2Σ *22 à 2 à22 1 )ω(XR ωXX2I )ω(XR ωXI II ++++= à à (2-100) Từ đó rút ra: 2' 2 2 12' 2 2 1 ' 2 * X I I)XX( 1 I I R ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−+ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ =ω à à à Σ (2-101) Trang 79 E’2 I1 Từ sơ đồ thay thế hình 2-39, ta có đồ thị vectơ dòng điện nh− hình 2-41. φ2 Ià φ2I’2 Hình 2-41: Đồ thị vectơ dòng điện khi HĐN Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Từ các biểu thức (2-98) (2-100), sau khi biến đổi ta có: ữ 2*2' 2 2' 2 * ' 2 .)XX(R .X.I I ω++ ω= àΣ àà (2-102) T−ơng tự nh− đã xét ở động cơ ĐK, ta xác định đ−ợc mômen: o 2 ' 22' 2 RI3 M ω ω= Σ (2-103) Hay: ]ω)X(X[R ωRX3I M 2*2' 2 '2 2Σo *' 2 '2 2 à Σà ++ω= (2-104) Đ−ờng cong M = f(ω*) cũng đ−ợc khảo sát t−ơng tự nh− với đ−ờng cong đặc tính cơ của động cơ ĐK và cho ta những kết quả: ' 2 ' 2* th XX R +=ω à Σ (2-105) )XX(2 XI3 M ' 2o 22 1 th.th +ω= à à (2-106) Và: * * th * th * th.thM2M ω ω+ω ω= (2-107) Biểu thức (2-107) là ph−ơng trình đặc tính cơ của động cơ ĐK khi hãm động năng kích từ độc lập. Ta thấy rằng, khi thay đổi R2f thì thay đổi, nên thay đổi, còn M ' 2R Σ * thω th = const, còn khi thay đổi dòng điện xoay chiều đẳng trị I1, nghĩa là thay đổi dòng điện một chiều Imc, thì mômen Mth thay đổi, còn * = const. thω Trang 80 Các đ−ờng đặc tính hãm động năng đ−ợc biểu diễn nh− trên hình 2-42. Trên đó: đ−ờng (1) và (2) có cùng điện trở ' nh−ng có M )2(2 ' )1(2 RR ΣΣ = th2 > Mth1 nên dòng một chiều t−ơng ứng Imc2 > Imc1. Nh− vậy khi thay đổi nguồn một chiều đ−a vào stato động cơ khi hãm động năng thì sẽ thay đổi đ−ợc mômen tới hạn. Mc(ω)ω* ω ω0 Còn đ−ờng (2) và (3) thì có cùng dòng điện một chiều nh−ng điện trở ' . )3(2 ' )2(2 RR ΣΣ < Nh− vậy khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto hoặc dòng điện một chiều trong stato động cơ khi hãm động năng thì sẽ thay đổi đ−ợc vị trí của đặc tính tính cơ. b) Hãm động năng tự kích từ: Động cơ đang hoạt động ở chế độ động cơ (tiếp K kín, tiếp điểm H hở), khi cho K hở, H kín lại, động cơ sẽ chuyển sang chế độ hãm động năng tự kích từ. Khi đó, dòng điện Imc không phải từ nguồn điện một chiều bên ngoài, mà sử dụng ngay năng l−ợng của động cơ thông qua bộ chỉnh l−u ở mạch rôto (hình 2-43a) hoặc bộ tụ điện ở mạch stato. Trang 81 Hình 2-42: Đặc tính cơ của động cơ ĐK khi HĐN-KTĐL Mth2 Mth1 0 M A (đ/c) (3) (1)(2) ω*th2 ω*th1 HĐN Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động * Ví dụ 2-6: Hãy lựa chọn đặc tính cơ hãm động năng và xác định các thông số mạch hãm, gồm dòng điện một chiều Imc cấp vào cuộn dây stato và điện trở phụ Rh nối vào mạch rôto của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn sao cho mômen hãm cực đại đạt đ−ợc Mh.max = 2,5Mđm và hiệu quả hãm cao. Số liệu cho tr−ớc: Động cơ 11KW; 220V; 953vg/ph, λ = Mth/Mđm = 3,1; cosφđm = 0,71; cosφo (không tải) = 0,24; I1đm = 28,4A; I1.0 (không tải) = 19,2A; R1 = 0,415Ω; X1 = 0,465Ω; E2nm(điện áp dây) = 200V; I2đm = 35,4A; r2 = 0,132Ω; X2 = 0,27Ω; và Ke = 1,84. * Giải: Tr−ớc hết, xác định thêm các thông số của động cơ: Tốc độ định mức: rad/s 8,99 55,9 953 55,9 n đm đm ===ω Trang 82 Tốc độ từ tr−ờng quay: ωo = 1000/9,55 = 104,7 rad/s ~ Mômen định mức: m.N2,110 8,99 1000.111000.PM đm đm đm ==ω= Độ tr−ợt định mức: 05,0 7,104 8,997,104s o đmo đm =−=ω ω−ω= Điện kháng mạch hóa Xà đ−ợc xác định t... 201 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ch−ơng 7 hệ thống điều khiển tự động Đ7.1. các nguyên tắc điều khiển tự động Xuất phát từ yêu cầu công nghệ: cần thay đổi tốc độ, thay đổi hành trình làm việc của cơ cấu sản xuất ... Xuất phát từ chế độ làm việc của HT ĐKTĐ: khởi động, chuyển đổi tốc độ, hãm, đảo chiều, dừng máy ... Xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật, kinh tế: điều chỉnh tốc độ, ổn định, chính xác cao, an toàn ... và kinh tế. Từ đó cần có những nguyên tắc ĐKTĐ để thực hiện đ−ợc các yêu cầu trên, đồng thời tự động hạn chế các đại l−ợng cần hạn chế: dòng điện cho phép, mô men cho phép, tốc độ cho phép, công suất cho phép, ... 7.1.1. Điều khiển tự động theo nguyên tắc thời gian 7.1.1a. Nội dung Có đồ thị khởi động ĐMđl với 2 cấp điện trở phụ: Trang 202 - Trên hình 7-1, trình bày đặc tính khởi động: ω(I−), ω(t), I(t) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, có 2 cấp khởi động (dùng điện trở phụ hạn chế dòng khởi động). - Qua đồ thị khởi động ở trên, ta thấy: việc ngắn mạch các cấp điện trở phụ có thể xảy ra sau những khoảng thời gian nhất định: + Cấp thứ nhất đ−ợc ngắn mạch sau khoảng thời gian t1 kể từ khi bắt đầu khởi động. + Cấp thứ 2 đ−ợc ngắn mạch sau khoảng thời gian t2 kể từ khi bắt đầu ngắn mạch cấp 1... - Các tín hiệu điều khiển ở các thời điểm trên đ−ợc tạo ra nhờ các rơ le thời gian. Thời gian duy trì của các rơ le thời gian hiện nay có thể đạt: td.tr = 0,05s ữ 2 h, và lớn hơn. - Thời gian thực hiện các cấp khởi động (tdtr.kđ) đ−ợc xác định theo tính toán quá trình quá độ của hệ thống TĐĐ TĐ. Khi M(ω) [ hay I(ω) ] là tuyến tính thì thời gian quá trình quá độ giữa hai cấp tốc độ là: 1đgi đgi 1đgiđgi i1i 1đgi đgi 1đgi đgi ciụđ M M ln MM J M M lnJ M M lnTt ++ + ++ − ω−ω= β== (7-1) ω ω I XL I 1 d e ω(t) b c I2 I(t) Ic a 0 Ic I2 I1 I− 0 t1 t2 t3 t Hình 7 - 1: Các đặc tính cơ và quá độ khi khởi động 2 - Thời gian chỉnh định của rơ le thời gian để thực hiện gia tốc từ tốc độ thứ i đến tốc độ thứ i+1 là: 1 TN tcđ = tqđ - to (7-2) Trong đó: tqđ - là thời gian quá độ giữa 2 cấp tốc độ. to - là thời gian tác động của các thiết bị, khí cụ trong mạch có liên quan đến sự tác động của rơ le thời gian. Trang 203 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 7.1.1b. Các mạch điển hình: * Mở máy động cơ điện một chiều 2 cấp điện trở phụ 1) Sơ đồ: 2) Nguyên lý làm việc: * Khởi động động cơ: Trang 204 - Đóng các cầu dao 1CD, 2CD, dẫn đến cuộn dây rơ le thời gian 1RTh(11-10) có điện, tiếp điểm 1RTh(13-15) mở ra, đảm bảo cho các cuộn dây công tắc tơ 1G(15-10), 2G(17-10) không có điện, và nh− vậy các điện trở phụ R−f1 , R−f2 , sẽ đều tham gia trong mạch phần ứng. - ấn nút M thì cuộn dây K(9-10) có điện, các tiếp điểm K(1-3), K(6-8) đóng lại, dẫn đến động cơ Đ đ−ợc khởi động với toàn bộ điện trở phụ trong mạch phần ứng: R−fΣ = R−f1 + R−f2 , theo đặc tính 1. Tiếp điểm K(7-9) đóng lại để duy trì cho công tắc tơ K khi thôi ấn M. Các tiếp điểm K(1-3), K(6-8) đóng lại, làm cho cuộn dây 2RTh(4-6) có điện, tiếp điểm 2RTh(15-17) mở ra, đảm bảo cho cuộn dây 2G(17-10) không có điện. K(5-11) mở, K(5-13) đóng, làm 1RTh(11-10) mất điện, sau thời gian chỉnh định của 1RTh (≈ t1) thì 1RTh(13-15) đóng, làm cho 1G(4-6) đóng, ngắn mạch R−f1 , động cơ Đ khởi động sang đặc tính 2, t−ơng ứng với R−f2 . Tiếp điểm 1G(4-6) đóng lại, làm 2RTh(4-6) mất điện, sau thời gian chỉnh định của 2RTh (≈ t2 - t1), thì 2RTh(15-17) kín lại, làm 2G(17-10) có điện, và 2G(2-4) đóng lại, ngắn mạch R−f2 , động cơ Đ chuyển sang đặc tính cơ tự nhiên và sẽ tới làm việc ở điểm xác lập XL . * Dừng động cơ: - ấn nút D làm cuộn dây K(9-10) mất điện, và K(1-3) mở, K(6-8) mở, làm phần ứng Đ mất điện, và 2RTh(4-6) mất điện; K(7-9) mở ra, K(5-13) mở, K(5-11) kín lại, làm 1RTh(11-10) có điện lại, chuẩn bị khởi động lần sau. * Ph−ơng trình đặc tính cơ: M )K( RR K U 2 f−− Φ +−Φ=ω Σ (6-3) * Ph−ơng trình đặc tính quá trình quá độ khi khởi động: Trang 205 Hình 7 - 2: Sơ đồ nguyên lý và biểu đồ thời gian K 1 1RTh 1CD+UL 1 3 2 K 4 G G2 6 8K 2RTh CKT ĐL1 R−f2 R−f1 L2 L3 L4 +UL 2CD 2CD M D K 9 K K 1RTh 7 10 5 11 1G 13 15 2G 2RTh 17 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động ω = ωXL + (ωbđ + ωXL).e-t/Tc (7-4) M = Mc + (M1 - Mc).e -t/Tc (7-5) * Thời gian khởi động: tkđ = c2 c1 c c2 c1 c II II lnT MM MM lnT − −=− − (7-6) * Thời gian chỉnh định của các rơ le thời gian: RTh: tcđ.1RTh = tkđ.1 - [t(k) + t(1G)] (7-7) 2RTh: tcđ.2RTh = tkđ.2 - [t(2G)] (7-8) Vì [t(K) , t(1G) , t(2G)] << tkđ , nên: tcđ ≈ tkđ . Đồ thị: hình 7 -31. 7.1.1c. Nhận xét 1) ảnh h−ởng của mômen tải Mc (khi UL =const, R= const): - Ví dụ: Có đồ thị khởi động ĐMđl với 2 cấp điện trở phụ: - Khi Mc tăng thì Mđộng tăng, quá trình quá độ tăng. - Khi mô men tải Mc hay dòng tải Ic tăng, mô men động giảm, thời gian quá độ tăng (quá trình quá độ bị giảm gia tốc). Trang 206 - Vì Mc′ > Mc (hay Ic′ > Ic) nên M′động = (M - Mc′) < Mđộng do đó quá trình gia tốc chậm lại. Ban đầu ω tăng đến ω1′ (ω1′ < ω1), tức là cấp 1 ở điểm b1 thì đã hết thời gian chỉnh định của RTh nên phải chuyển sang cấp 2, tức sang điểm c1, cứ nh− vậy chuyển đổi từ d1 sang e1, v.v... Nh− vậy, khi khởi động mà Mc (hay Ic) tăng lên, sẽ dẫn đến quá tải, hay quá dòng cho phép. Trạng thái phần tử 1RTh - Ph−ơng trình đặc tính quá độ lúc này: ωb1 = ωXL + (ωbđ - ωXL).e-t1/ Tc (7-9) M = Mc′ + (M1 - Mc′).e-t/ Tc (7-10) Tc = J.(ωXL - ωbđ) / (M1 - Mc′) (7-11) 2) ảnh h−ởng của mô men quán tính J (hay GD2): - Khi J tăng thì Tc cũng tăng và nh− vậy ωb1, ωd1, ... giảm, t−ơng tự tr−ờng hợp Mc tăng. Tc = J.(ωXL - ωbđ) / (M1 - Mc) (7-12) Trang 207 2RTh 1G 2G 0 t0 t1 t2 t3 t Hình 7-3: Đặc tính hoạt động theo thời gian của các phần tử trong sơ đồ điều khiển tự động TN ω2 I ’ I 1 2’’ ω Iω ω0 I1ωxlXL ω1ω’1 2 1 d b e e’ c c’ a Ic I’c I2 I’2 I1 I ’ 1 I ’’ 1 I− ω1 ω2 ω(t) I(t) I2 Ic 0 0 t1 t2 t3 t Hình 7-4: Các đặc tính khởi động theo nguyên tắc thời gian khi phụ tải bị thay đổi trong quá trình khởi động. Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 3) ảnh h−ởng của áp l−ới UL (khi Mc = const, R = const): - Đối với động cơ điện một chiều: Khi UL giảm thì ω0 = (UL / KΦ) cũng giảm xống, nếu phụ tải Mc = const thì mô men động cơ sẽ giảm, gia tốc giảm, quá trình quá độ sẽ kéo dài (hay thời gian khởi động, hãm, ... tăng). Nếu giữ cho ω0 = const thì mô men M = KΦI ≈ const, và dòng điện I sẽ tăng, có thể I > Icp . - Đối với động cơ không đồng bộ: f = const, M ≡ U2 , nên UL giảm thì M giảm mạnh, mô men động giảm, tốc độ chuyển đổi giảm, và thời gian quá độ tăng (thời gian khởi động, hãm, đảo chiều, ... tăng). 4) ảnh h−ởng của điện trở R (khi UL = const, Mc = const): - Các điện trở dây quấn của khởi động từ, công tắc tơ, rơ le, động cơ, ... khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở sẽ bị thay đổi, thời gian chỉnh định thay đổi, nhất là các quá trình khởi động, hãm, đảo chiều ... mà dùng điện trở phụ thì khi nhiệt độ tăng, điện trở tăng, thời gian chỉnh định giảm, mô men động tăng có thể lớn hơn mô men cho phép. Trang 208 5) Ưu, khuyết điểm - Ưu điểm: Khống chế đ−ợc thời gian mở máy, hãm máy, đảo chiều, ... Thiết bị đơn giản, làm việc tin cậy, an toàn, nên ph−ơng pháp ĐKTĐ theo nguyên tắc thời gian này đ−ợc sử dụng rộng rãi. - Nh−ợc điểm: Mô men (dòng điện) động cơ thay đổi theo Mc, J, t o, UL, ..., nên có thể v−ợt quá trị số cho phép, cần phải có biện pháp bảo vệ. ω ωo UL = UL.đm ωo′ UL < UL.đm M Mc M2 M1 Hình 7-5: Sự ảnh h−ởng của điện áp l−ới bị giảm 7.1.2. Điều khiển tự động theo nguyên tắc tốc độ 7.1.2a. Nội dung - Có đồ thị khởi động ĐMđl với 2 cấp điện trở phụ: ω ω I XL I - Điều khiển theo tốc độ là dựa trên cơ sở kiểm tra trực tiếp hoặc gián tiếp sự thay đổi của tốc độ. - Kiểm tra trực tiếp có thể dùng rơ le kiểm tra tốc độ kiểu ly tâm. Cách này ít dùng vì dùng rơ le kiểm tra tốc độ phức tạp, đắt tiền và làm việc kém chắc chắn. - Có thể kiểm tra tốc độ gián tiếp qua máy phát tốc. Trang 209 1 d e ω(t) b c I2 I(t) Ic a 0 Ic I2 I1 I− 0 t1 t2 t3 t Hình 7 - 6: Các đặc tính khởi động theo nguyên tắc tốc độ TN 1 2 ωxlω2 ω2 ω1 ω1 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Máy phát tốc (FT) là một máy điện một chiều có: Φ = const và EFT ≡ ω, loại này hay dùng đối với động cơ điện một chiều. - Đối với động cơ không đồng bộ, th−ờng kiểm tra tốc độ gián tiếp theo sức điện động rôto và tần số rôto. Tại những tốc độ cần điều khiển (ω1, ω2, ...), các rơ le kiểm tra tốc độ hoặc kiểm tra điện áp FT, Erôto, frôto, sẽ tác động tạo ra tín hiệu điều khiển. 7.1.2b. Các mạch điển hình: * Mở máy 2 cấp tốc độ động cơ điện một chiều: * Mỗi công tắc tơ gia tốc (1G, 2G, ...) đ−ợc chỉnh định với một trị số điện áp hút nhất định t−ơng ứng với mỗi cấp tốc độ nhất định nh− ở ω1, ω2 , ... ấn nút M làm K tác động, động cơ Đ khởi động với toàn bộ điện trở trong mạch phần ứng (R−Σ = R− + R−fΣ = R− + R−f1 + R−f2), đ−ờng đặc tính 1, vì lúc đầu tốc độ ω = 0 và còn nhỏ nên: UĐ = EĐ + I−.R− = KΦω + I−.R− < Uh.1G (hoặc 2G); (6-13) Trang 210 - Đến tại ω = ω1 thì: U1G = KΦω1 + I2.(R− + R−f2) = UL - I2.R−f1 = Uh.1G ; (7-14) 1G tác động, ngắn mạch R−f1, động cơ chuyển sang đ−ờng 2. - Đến tại ω = ω2 thì: U2G = KΦω2 + I2.R− = UL - I2.R−f2 = Uh.2G > Uh.1G ; (7-15) 2G tác động, ngắn mạch R−f2, động cơ chuyển sang đặc tính tự nhiên. - Coi điện áp l−ới UL = cosnt, với I2 = const, và R−f1 = R−f2 , ta có các điện áp hút của các công tắc tơ : Uh.1G = Uh.2G . Nh− vậy có thể chọn các công tắc tơ gia tốc cùng loại, chỉnh định ít. 7.1.2c. Nhận xét 1) Ưu điểm: Ph−ơng pháp ĐKTĐ theo tốc độ dùng ít thiết bị, khí cụ điều khiển vì có thể chỉ dùng công tắc tơ chứ không cần tác động thông qua rơle nên đơn giản, rẻ tiền. 2) Nh−ợc điểm: Thời gian quá độ và thời gian hãm phụ thuộc Mc, J, UL, t o của R, dây quấn, làm thay đổi quá trình quá độ (nh− khi UL giảm hay Mc tăng, ... làm thời gian quá độ tăng, quá trình quá độ chậm, đốt nóng điện trở khởi động, điện trở hãm, ... làm khó khăn cho việc chỉnh định điện áp hút của các công tắc tơ hoặc rơ le tốc độ). - Khi điện áp l−ới dao động sẽ làm thay đổi tốc độ chuyển cấp điện trở (ω1, ω2, ...) và dòng điện sẽ nhảy vọt có thể quá dòng cho phép. - Khi điện áp l−ới giảm quá thấp có khả năng xảy ra không đủ điện áp để công tắc tơ tác động và do đó động cơ có thể dừng lại làm việc lâu dài ở tốc độ trung gian, làm đốt nóng điện trở khởi động (hay điện trở hãm, ...) và nh− vậy làm thay đổi tốc độ chuyển cấp. UĐ K M K +UL KD+ - 2G 0V 1G+ CKT - R−f2 R−f1I− E 2G 1G Hình 7-7: Nguyên tắc ĐKTĐ mở máy 2 cấp ĐM theo tốc độ Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trang 211 7.1.3. Điều khiển tự động theo nguyên tắc dòng điện 7.1.3a. Nội dung - Có đồ thị khởi động ĐMđl với 2 cấp điện trở phụ: - Qua đồ thị hình 7-8 ta thấy rằng: khi khởi động, dòng khởi động thay đổi trong khoảng (I1 ữ I2). Nhất là mỗi lần chuyển cấp thì các điểm chuyển cấp th−ờng cùng một giá trị dòng điện (I2), nên ta có thể dùng rơle dòng điện hoặc công tắc tơ có cuộn dây dòng điện để tạo tín hiệu điều khiển. - Tại điểm chuyển cấp b, rơle dòng điện tác động theo dòng chuyển cấp I2 để ngắn mạch cấp điện trở thứ nhất, động cơ chuyển từ đặc tính 1 sang đặc tính 2. Đến điểm d, rơle dòng điện sẽ tác động theo dòng I2 để ngắn mạch cấp điện trở thứ hai, động cơ chuyển từ đặc tính 2 sang đặc tính tự nhiên TN. - Cứ nh− vậy, động cơ sẽ đ−ợc khởi động đến tốc độ xác lập. 7.1.3b. Các mạch điển hình: * Hãm ng−ợc và đảo chiều ĐKdq theo nguyên tắc dòng điện: Trang 212 - Công tắc xoay KC có 5 vị trí: 0 ở giữa; 1, 2 bên thuận và 1, 2 bên ng−ợc; KC có tiếp điểm: KC1, KC2, KC3, KC4, KC5, ... - Các công tắc tơ có các tiếp điểm duy trì thời gian H, 1G. - Rơle dòng điện RHn có: Ihãm > Ih.RHn > I1 (7-16) ω ω I XL I Inh.RHn = Irôto = I2 (7-17) I1 I2 C Đ ~ UL TN 2G 2G 1G 1G H H R2f2 R2f1 Rh RHn KC1 KC2 KC3 KC4 KC5 N N T T RHn H H 1G 1G 2G 2 1 0 1 2 (N) (T) ~ UL ~ A (TN,T) ω B Ic2 Ic1 I− A’ (TN,N) ω0 -ω0 Hình 7-9: Sơ đồ điều khiển tự động ĐKdq theo nguyên tắc thời gian và dòng điện. 1 d e ω(t) b c I2 I(t) Ic a 0 Ic I2 I1 I− 0 t1 t2 t3 t Hình 7-8: Các đặc tính khởi động theo nguyên tắc dòng điện TN 1 2 ωxlω2 ω2 ω1 ω1 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trang 213 - Hệ thống đang làm việc điểm A trên đặc tính cơ (ωA), t−ơng ứng với vị trí 2(T) của công tắc KC, các tiếp điểm KC1, KC3, KC4, KC5 đang kín, các công tắc tơ T, H, 1G, 2G đang có điện, công tắc tơ N không có điện, toàn bộ các điện trở phụ trong mạch rôto bị ngắn mạch, RHn không tác động. - Dừng động cơ bằng cách hãm ng−ợc: + Quay tay gạt của KC từ vị trí 2(T) sang 2(N), khi qua vị trí 0 thì tất cả các công tắc tơ và rơle đều mất điện, động cơ đ−ợc tách khỏi l−ới điện, toàn bộ điện trở phụ đ−ợc đ−a vào mạch rôto, mạch điện ở trạng thái th−ờng nh− hình vẽ. + Khi đến vị trí 2(N), các tiếp điểm KC2, KC3, KC4, KC5 kín lại, KC1 hở ra, công tắc tơ T mất điện; còn N, H có điện sẽ đảo 2 trong 3 pha của stato động cơ, làm động cơ thực hiện quá trình hãm ng−ợc (giai đoạn đầu của quá trình đảo chiều). Tốc độ đồng bộ của động cơ lúc này ω0N = - ω0T , dòng điện rôto tăng rất lớn: Irôto = Ihãm > Ih.RHn > I1 nên RHn tác động làm hở tiếp điểm th−ờng kín của nó, đảm bảo cho các công tắc tơ H, 1G, 2G không có điện, toàn bộ R2f1 và R2f2 vẫn tham gia trong mạch rôto cùng với Rh để hạn chế dòng đảo chiều hay là dòng hãm ng−ợc của động cơ Ihãm ≤ Icp (đoạn BC). + Tốc độ động cơ Đ giảm dần, dòng hãm cũng giảm dần đến I2 thì RHn nhả (vì Inh.RHn = I2 , và lúc đó ω ≈ 0), làm cho H có điện, ngắn mạch Rh và đảm bảo RHn không tác động trở lại, kết thúc quá trình hãm ng−ợc. + Muốn dừng động cơ thì quay KC về vị trí 0, các công tắc tơ và rơle mất điện, động cơ dừng tự do. - Đảo chiều: + Quá trình thực hiện t−ơng tự khi hãm ng−ợc, nh−ng khi dòng điện hãm giảm đến I2 thì vẫn để KC ở vị trí 2(N), sau khi RHn nhả làm cho H có điện, kết thúc quá trình hãm ng−ợc và sẽ bắt đầu quá trình khởi động ng−ợc. Trang 214 Khi H có điện thì nó sẽ ngắn mạch Rh, làm cho Đ khởi động ng−ợc theo đ−ờng đặc tính tiếp theo (CD). + Sau thời gian duy trì của H, nó sẽ tác động làm 1G có điện, các tiếp điểm của 1G sẽ ngắn mạch R2f1, làm cho Đ khởi động tiếp sang đặc tính DE. + Sau thời gian duy trì của 1G, nó sẽ tác động làm 2G có điện, ngắn mạch R2f2, và Đ sẽ khởi động sang đặc tính tự nhiên và tới điểm xác lập. 7.1.3c. Nhận xét 1) Ưu điểm: Có thể duy trì mô men động cơ trong một giới hạn nhất định. Quá trình khởi động, hãm không phụ thuộc môi tr−ờng. 2) Nh−ợc điểm: Khi UL, Mc thay đổi, nhất là khi Mc quá lớn sẽ làm cho Ic > I2, nh− vậy động cơ có thể làm việc ở đặc tính trung gian, làm phát nóng điện trở, ảnh h−ởng đến quá trình làm việc của động cơ. 7.1.4. Điều khiển tự động theo các nguyên tắc khác 7.1.4a. Điều khiển tự động theo nguyên tắc hành trình 1) Nội dung: - Trên hành trình (đ−ờng đi) của các bộ phận làm việc trong các máy móc, thiết bị (nh− bàn máy, đầu máy, mâm cặp, ...) đ−ợc đặt các cảm biến, các công tắc hành trình, công tắc cực hạn, công tắc điểm cuối, ..., để tạo ra các tín hiệu điều khiển: khởi động, hãm, đảo chiều, thay đổi tốc độ ... 2) Mạch điển hình: Phân tích truyền động bàn máy bào d−ờng: Trong sơ đồ dùng công tắc hành trình KH có 2 tiếp điểm KH1, KH2 loại không tự phục hồi. Tại vị trí xuất phát ban đầu của bàn máy thì các tiếp điểm KH1 kín, KH2 hở. Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trang 215 Trang 216 Khởi động: ấn nút M thì RTr có điện, T có điện làm ĐM đ−ợc đóng điện và kéo bàn chạy thuận, đồngthời 1RTh có điện sẽ mở tiếp điểm của nó để chuẩn bị cho đảo chiều. v vth t A Bàn N T B vng KH A Bàn N T B KH KH D KH Khi hết hành trình thuận, vấu A đập vào công tắc hành trình KH làm cho các tiếp điểm KH1 mở, KH2 kín, dẫn đến T mất điện nh−ng N cũng ch−a có điện, ĐM hãm tự do. Sau thời gian duy trì của 1RTh thì tiếp điểm của nó đóng điện cho N, làm ĐM đảo chiều, kéo bàn chạy ng−ợc. Khi đó 2RTh có điện, mở tiếp điểm của nó chuẩn bị cho hành trình thuận. Đi hết hành trình ng−ợc, vấu B đập vào công tắc hành trình KH làm cho các tiếp điểm KH2 hở, KH1 kín lại, công tắc tơ N mất điện và T ch−a có điện, ĐM hãm tự do. Sau thời gian duy trì của 2RTh, tiếp điểm của nó đóng lại làm cho T có điện và ĐM kéo bàn chạy thuận. 1RTh có điện và mở tiếp điểm của nó, chuẩn bị cho hành trình ng−ợc. Bàn sẽ làm việc với chu kỳ thuận/ng−ợc nh− hình 7-10. +UL - T N D UL RTr + - KH1 RTr 2RTh N T N T KH2 RTr 2RTh T N Hình 7-10: 1RTh Sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc hành trình 2RTh M RTr Muốn dừng máy: ấn nút D thì RTr mất điện, T, N, 1RTh, 2RTh mất điện, động cơ hãm tự do cho đến lúc dừng máy. 7.1.4b. Nhận xét Đ * Ngoài các nguyên tắc ĐKTĐ đã nêu trên, còn một số nguyên tắc ĐKTĐ khác: ĐKTĐ theo mô mem, công suất, sức căng, nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, .... * Đánh giá về các sơ đồ điều khiển: với các yêu cầu kỹ thuật đối với tất cả các sơ đồ là cao nhất thì: T Công suất càng lớn thì trọng l−ợng và giá thành càng cao. Dùng thiết bị, khí cụ càng bé, càng hiện đại thì giá thành càng cao. N Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Cùng công suất thì trọng l−ợng và giá thành lớn nhất là nguyên tắc ĐKTĐ theo thời gian, sau đó là nguyên tắc ĐKTĐ theo dòng điện và cuối cùng là nguyên tắc ĐKTĐ theo tốc độ. Trang 217 Nói chung nguyên tắc ĐKTĐ theo tốc độ th−ờng dùng để điều khiển hãm động cơ. Nguyên tắc ĐKTĐ theo dòng điện chủ yếu dùng để điều khiển khởi động động cơ, Nguyên tắc ĐKTĐ theo thời gian thì ứng dụng rộng rãi vì đơn giản. Đ7.2. Các phần tử bảo vệ và tín hiệu hoá 7.2.1. ý nghĩa của bảo vệ và tín hiệu hoá * Các phần tử bảo vệ và tín hiệu hoá có vai trò rất to lớn: Đảm bảo quá trình làm việc an toàn cho ng−ời và máy móc, thiết bị. Quá trình làm việc có thể xảy ra sự cố hoặc chế độ làm việc xấu cho ng−ời và máy móc, thiết bị, đồng thời có thể báo hiệu cho ng−ời vận hành biết tình trạng làm việc của hệ thống ĐKTĐ để xử lý. * Chức năng của các thiết bị bảo vệ và tín hiệu hoá: Ngừng hệ thống (máy móc) khi sự cố nguy hiểm trực tiếp đến ng−ời, thiết bị, máy móc: U Ucp , I > Icp , .... Khi quá tải hoặc sự cố ch−a nguy hiểm đến thiết bị, máy móc thì thiết bị bảo vệ và tín hiệu hoá phải báo cho ng−ời vận hành biết để sử lý kịp thời. Bảo đảm khởi động, hãm, đảo chiều ..., một cách bình th−ờng, nghĩa là phải đảm bảo sao cho: I < Icp, to < tocp ,... 7.2.2. Các dạng bảo vệ: 7.2.2a. Bảo vệ ngắn mạch: - Bảo vệ ngắn mạch là bảo vệ các sự cố có thể gây nên h− hỏng cách điện, hoặc h− hỏng các cơ cấu của thiết bị, máy móc (khi ngắn mạch sẽ gây nên nhiệt độ tăng nhanh gây cháy hoặc sức từ động tăng mạnh gây va đập, ...). Trang 218 - Các thiết bị bảo vệ th−ờng dùng: cầu chì, aptômat, rơle dòng điện cực đại, các khâu bảo vệ ngắn mạch bằng bán dẫn, điện tử, ... - Dòng tác động của cầu chì: Idc = Ikđ / α (7-18) Trong đó: Idc là dòng tác động của dây chảy đ−ợc chọn. Ikđ là dòng khởi động của động cơ, phụ tải đ−ợc bảo vệ. α là hệ số xét đến quán tính nhiệt. α = 2,5 đối với động cơ khởi động bình th−ờng. α = (1,6 ữ 2) đối với động cơ khởi động nặng. + Cấm đặt cầu chì trên dây trung tính, mạch nối đất, vì đứt dây chì thì vỏ máy sẽ có điện áp cao nguy hiểm. Dùng cầu chì bảo vệ ngắn mạch thì đơn giản, rẻ tiền, nh−ng tác động không chính xác, dòng tác động phụ thuộc vào thời gian, thay thế lâu, không bảo vệ đ−ợc chế độ làm việc 2 pha. - Dòng chỉnh định của aptômat: Icđ = (1,2 ữ 1,3).Ikđ ; (7-19) + Aptômat tác động rồi thì có thể đóng lại nhanh, cắt đ−ợc dòng lớn, bảo vệ đ−ợc chế độ làm việc dòng 2 pha (khi bị mất 1 trong 3 pha). Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động - Dùng rơle dòng điện cực đại (RM) bảo vệ ngắn mạch phải chỉnh định dòng tác động cho phù hợp với dòng ngắn mạch. Th−ờng đặt rơle dòng cực đại trên 3 pha của động cơ không đồng bộ 3 pha, hoặc đặt trên 1 cực đối với động cơ một chiều. Tiếp điểm của RM là loại không tự phục hồi. Trang 219 + Ví dụ dùng cầu chì và aptômat bảo vệ ngắn mạch: + Ví dụ dùng rơle dòng cực đại bảo vệ ngắn mạch: 7.2.2b. Bảo vệ nhiệt: - Nhằm tránh quá tải lâu dài, nếu không thì khí cụ, thiết bị, động cơ sẽ phát nóng quá nhiệt độ cho phép. - Th−ờng dùng rơle nhiệt, aptômát có bảo vệ nhiệt, phần tử bảo vệ quá tải bằng bán dẫn, để bảo vệ quá tải cho phụ tải dài hạn. - Các tiếp điểm rơle nhiệt (RN) là loại không tự phục hồi, sau khi rơle nhiệt đã tác động thì phải ấn reset bằng tay. Phải chọn rơle nhiệt có đặc tính phát nóng gần với đặc tính phát nóng của thiết bị, động cơ cần đ−ợc bảo vệ (hình 7-13). Trang 220 + Dòng chỉnh định của rơle nhiệt, aptômat: Icđ = (1,2 ữ 1,3)Iđm (7-20) ~ ~ A 1CC K D K 2C 2C Trong đó: Iđm là dòng định mức của động cơ, phụ tải. M + Ví dụ dùng rơle nhiệt và aptômat bảo vệ quá tải dài hạn: Đ K Hình 7-11: Sơ đồ dùng cầu chì, aptômat bảo vệ ngắn mạch ~ ~ A K RN 2CC 2CC D Đ K RN Hình 7-13: Sơ đồ dùng rơle nhiệt và aptômat bảo vệ quá tải K M RN - Dùng rơle dòng cực đại (RI) để bảo vệ quá tải cho phụ tải ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại. Khi phụ tải làm việc trong thời gian ngắn, sự phát nóng của phụ tải không phù hợp với đặc tính của rơle nhiệt, nên rơle nhiệt không tác động kịp, bởi vậy phải dùng rơle dòng cực đại tác động nhanh. + Ví dụ dùng rơle dòng cực đại bảo vệ quá tải ngắn hạn: ~ ~ CD RM K 2CC 2CC D Đ K Hình 7-12: Sơ đồ dùng rơle dòng cực đại bảo vệ ngắn mạch KM R ~ ~ A K 2CC 2CC Đ D RM RI K RTh RI RM KM RI Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trang 221 - Dòng chỉnh định của rơle dòng cực đại bảo vệ quá tải: Icđ.RI = (1,4 ữ 1,5)Iđm (7-21) - Th−ờng dùng 1 rơle dòng cực đại bảo vệ ngắn mạch (RM) và 2 rơle dòng cực đại bảo vệ quá tải (RI). Tiếp điểm của rơle dòng cực đại bảo vệ quá tải là loại tự phục hồi (hình 7-14). 7.2.2c. Bảo vệ điểm không và cực tiểu: - Nhằm tránh làm việc với điện áp nguồn thấp hoặc mất áp nguồn, và tránh tự khởi động lại khi điện áp nguồn phục hồi. - Th−ờng dùng các rơle điện áp (RA), công tắc tơ (CTT), khởi động từ (KĐT), để bảo vệ đểm không và cực tiểu. - Chỉnh định điện áp hút, nhả của rơle điện áp, công tắc tơ: Uh.RA > Ung.sụt.cp (7-22) Unh.RA ≤ Ung.sụt.cp (7-23) Trong đó: Uh.RA là điện áp hút của rơle điện áp, hay của công tắc tơ, khởi động từ. Unh.RA là điện áp nhả của RA, CTT, KĐT. Ung.sụt.cp = 85%Ung.đm là điện áp nguồn sụt cho phép. Nguyên lý làm việc và bảo vệ của sơ đồ hình 6 - 20: Đặt công tắc xoay KC ở vị trí 0 thì tiếp đểm KC1 sẽ kín, KC2 hở; Đóng cầu dao CD, nếuđiện áp làm việc đạt giá trị cho phép (Ung > 85%Ung.đm) thì RA tác động, nó tự duy trì thông qua tiếp điểm RA(1-3) của nó. Quay công tắc KC đến vị trí 1 trái (T) thì K có điện, làm cho động cơ quay. Khi điện áp Ung ≤ 85%Ung.đm thì RA sẽ nhả làm K mất điện và động cơ cũng đ−ợc loại khỏi l−ới điện, tránh cho động cơ khỏi bị đốt nóng quá nhiệt độ cho phép (vì điện áp thấp sẽ dẫn đến dòng tăng quá dòng cho phép của động cơ). Trang 222 Khi động cơ đang làm việc, nếu mất điện nguồn thì khi có điện lại, động cơ vẫn không tự khởi động lại đ−ợc, vì khi đó KC vẫn ở vị trí 1 trái và KC1 vẫn hở, RA đã mất điện khi mất điện áp nguồn, do đó khi có điện lại thì K vẫn không có điện. + Ví dụ dùng rơle điện áp (RA) bảo vệ đểm không và cực tiểu: ~Ung CD 1CC 2CC 2CC RA K RA RN RN 1 (T) KC1 (P) 3 2 4 6 RN RN KC2 K Đ 1 0 1 Hình 7-15: Sơ đồ có bảo vệ điểm không và cực tiểu Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 7.2.2d. Bảo vệ thiếu và mất từ tr−ờng: - Nhằm bảo vệ thiếu và mất kích từ động cơ. Khi điện áp hay dòng kích từ động cơ bị giảm, gây ra tốc độ động cơ cao hơn tốc độ cho phép, hoặc dòng điện động cơ lớn hơn dòng cho phép, dẫn đến h− hỏng các phần động học của máy, làm xấu điều kiện chuyển mạch, ... - Dùng rơle dòng điện, rơle điện áp, ... để bảo vệ thiếu và mất từ tr−ờng. Trang 223 + Ví dụ dùng rơle dòng điện, rơle điện áp để bảo vệ thiếu và mất từ tr−ờng (hình 7-16) Nguyên lý bảo vệ: khi đủ điện áp thì rơle thiếu từ tr−ờng RTT sẽ đóng kín tiếp điểm của nó, KC đặt ở vị trí giữa nên tiếp điểm KC1 kín, RA tác động. Quay KC sang vị trí 1 (T) thì cho động cơ làm việc bình th−ờng. Khi điện áp sụt quá giá trị cho phép, hoặc dòng kích từ giảm thấp đến giá trị: Ikt.Đ = Inh.RTT , Inh.RTT ≤ Ikt.min.cp , nên RTT nhả làm K mất điện, loại động cơ ra khỏi l−ới điện để bảo vệ động cơ. 7.2.2e. Bảo vệ liên động: - Nhằm bảo đảm sự làm việc an toàn cho mạch (bảo đảm nghiêm ngặt một trình tự làm việc hợp lý giữa các thiết bị, tránh thao tác nhầm). - Các thiết bị bảo vệ liên động bằng cơ khí nh−: các nút ấn kép, các công tắc hành trình kép, ... Và các phần tử bảo vệ liên động điện nh−: Trang 224 Các tiếp điểm khoá chéo của các công tắc tơ, rơle, làm việc ở các chế độ khác nhau. Ví dụ: ~ ~ ~ CC CC A D MT MN N T T N T MN T N N Đ Hình 6 - 22: Sơ đồ có bảo vệ liên động cơ và điện Ung 1CC K RN K 1CC + Đ - RTT CKĐ 2CC RA RA RN RTT 2CC KC1 K KC2 (T) 1 1 (P) Hình 7-16: Sơ đồ bảo vệ thiếu, mất kích từ động cơ Khi khởi động thuận, ấn nút MT thì T có điện, đóng điện cho động cơ quay, còn tiếp điểm th−ờng kín của MT mở ra không cho N có điện, đảm bảo không bị ngắn mạch ở mạch stato. Khi T đã có điện thì tiếp điểm th−ờng kín của T mở ra, đảm bảo cho N không thể có điện nếu nh− không may có ng−ời tác động vào nút MN. Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Khi Đ đang quay thuận, muốn đảo chiều, ấn nút MN thì T sẽ mất điện và N sẽ có điện, quá trình đảo chiều diễn ra bình th−ờng. Nếu không may trong quá trình quay thuận, tiếp điểm của T ở mạch stato bị dính thì tiếp điểm của T ở mạch của cuộn dây N sẽ không kín lại đ−ợc, nên mặc dù ấn MN nh−ng N vẫn không thể có điện đ−ợc, tránh đ−ợc sự ngắn mạch bên phía stato nếu nh− cả T và N đều tác động. Nh− vậy các liên động cơ và điện trong sơ đồ đã bảo đảm cho sơ đồ hoạt động bình th−ờng, đúng trình tự làm việc đặt ra, tránh thao tác nhầm. Trang 225 7.2.3. Tín hiệu hoá - Khi xuất hiện chế độ làm việc xấu nh−ng ch−a cần phải dừng máy thì thiết bị bảo vệ sẽ hoạt động làm cho các thiết bị tín hiệu báo cho ng−ời vận hành biết để xử lý kịp thời. - Khi tín hiệu đã báo mà không đ−ợc xử lý kịp thời thì thiết bị bảo vệ sẽ tác động đình chỉ sự làm việc của hệ thống truyền động điện. - Thiết bị tín hiệu hoá: Âm thanh: chuông, còi, ...; ánh sáng: đèn, mầu, ...; Cờ báo: rơle tín hiệu, ... Ví dụ: Trang 226 Sơ đồ hình 6-23 đang hoạt động bình th−ờng. Nếu nh− quá tải thì rơle nhiệt sẽ tác động, làm RA rồi đến K mất điện, loại động cơ ra khỏi tình trạng nguy hiểm, đồng thời đóng tiếp điểm của nó làm đèn đỏ ĐĐ sáng lên, báo cho ng−ời vận hành biết để xử lý, sau khi xử lý xong, ng−ời vận hành ấn reset của RN thì mới có thể vận hành lại đ−ợc. Còn nếu bị ngắn mạch trong động cơ thì rơle bảo vệ dòng cực đại RM tác động, loại ngay động cơ khỏi tình trạng nguy hiểm, đồng thời đóng tiếp điểm của nó làm cho chuông Chg kêu lên, báo cho ng−ời vận hành biết để xử lý kịp thời, sau khi xử lý xong, ng−ời vận hành ấn reset của RM thì mới có thể vận hành lại đ−ợc. ~Ung A 2CC 2CC RM RA RA RN RM 1 (T) KC1 (P) 3 2 4 6 K KC2 K RN RN 1 0 1 ĐĐ RN câu hỏi ôn tập 1. Dựa vào những cơ sở nào để ng−ời ta đ−a ra các nguyên tắc điều khiển tự động theo các thông số thời gian, tốc độ, dòng điện, và hành trình, v.v ? 2. Phân tích nội dung của nguyên tắc điều khiển tự động theo thời gian, tốc độ, dòng điện, hành trình ? Giải thích nguyên lý làm việc của sơ đồ minh họa cho mỗi nguyên tắc trên ? Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 3. Tại sao có thể xảy ra các sự cố trong hệ thống truyền động điện tự động ? cách khắc phục sự cố đó nh− thế nào ? 4. Phân tích bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải, bảo bệ điểm không và cực tiểu, bảo vệ thiếu hoặc mất từ tr−ờng, bảo vệ liên động ? Giải thích nguyên lý bảo vệ của các mạch điển hình t−ơng ứng với mỗi bảo vệ trên ? 5. Tín hiệu hóa là gì ? Các mạch tính hiệu hóa có tác dụng gì trong hệ thống truyền động điện tự động ? Trang 227