Tài liệu Công nghệ sản xuất xi măng P2 ppt

Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

13
Chương II:
ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
2-1 : Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều (ĐM)
2-1-1 :Phương trình đặc tính cơ:








Hình 2-1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
CKĐ : cuộn dây kích từ (Ω).
U
ư
: dòng điện đưa vào động cơ (V).
I
ư
: dòng điện phần ứng (A).
E : S . đ . đ (V).
R
ư
: điện trở dây quấn phần ứng (Ω).
R
f
: điện trở phụ: (Ω).
Theo sơ đồ hình 2-1 ta viết được phương trình cân bằng điện áp phần

ứng có dạng:
U
ư
= E +I
ư
( R
ư
+ R
f
).
Sức điện động E
ư
của phần ứng của động cơ được xác định theo biểu
thức:
E
ư
=
a
PN
π
2
φ
ω = K
φ
ω.
Trong đó: P : là số đôi cực từ chính.
R
¦
E
U

¦
I
R
f
Ikt
Rkt
Ukt
CK§
+
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

14
N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a : số đối mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
φ
: từ thông dưới một cực từ.
ω : tốc độ góc Rad/s.
K =
a
PN
π
2
hệ số cấu tạo của động cơ.
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng / phút).
Ta có: E
ư
= Ke
φ
n.
ω =

60
2 n
π
=
55,9
n

vì vậy E
ư
=
a
PN
60
Φn.
Trong đó K
e
=
a
PN
60
: hệ số sức điện động của động cơ:
K
e
=
55,9
K
≈
0,105 K.
Từ phương trình cân bằng điện áp phần ứng động cơ ta kết hợp với biểu
thức xác định. Sức điện động E

Ư
của phần ứng động cơ ta được phương
trình đặc tính cơ của động cơ một chiều như sau:
ω =
φ
K
Uu
-
φ
K
RfRu +
.I
ư

Đây cũng là phương trình quan hệ giữa tốc độ (ω) và dòng điện. Phần
ứng của động cơ (I
ư
) hay là phương trình tốc độ.
Mặt khác mô men điện từ Mđt gồm mômen cơ học và mô men ma sát:
M
đt
= K
φ
I
ư
.
M
đt
= M + ΔM

Trong đó: ΔM là lực ma sát.
Giả thiết nếu bỏ qua ΔM
≈
0 thì M= M
đt
.
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

15
Suy ra: I
ư
=
φ
K
M

Thay I
ư
vào phương trình đặc tính cơ điện ta được phương trình đặc tính
cơ như sau:
ω =
φ
K
Uu
-
2
)(
φ
K
RfRu +

.M
Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đử, từ thông
φ
= const thì phương
trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ là phương trình tuyến
tính. Hình 2-2 và hình 2-3 là đặc tính của chúng.








Hình2-2: đặc tính cơ của động cơ Hình2-3: đặc tính cơ của
điện một chiều kích từ độc lập. động cơ điện kích từ độc lập.
Theo đồ thị trên thì khi I
ư
= 0 hoặc M = 0 ta có :
φ
K
Uu
= ω
0

ω
0
được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi ω = 0 ta có:
I
ư

=
RfRu
U
+
= I
mn

M= K
φ
I
mn
= M
mn

I
mn
, M
mn
được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch.
ω
đm

ω
0

ω
I
đm

I

m
I
ω
đm

ω
0
ω
M
đm
M
mn

I
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

16
2-1-2: Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ điện một chiều.
a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng.
Giả sử : U
ư
= U
đm
= const và
φ
=
φ
đ
= const muốn thay đổi điện trở phần
ứng ta nối thêm điện trở phụ R

f
vào mạch phần ứng.
Tốc độ không tải lý tưởng là.
ω
0
=
dm
dm
K
U
φ
= const
độ tính đặc tính cơ.
β
=
ω
Δ
ΔM
=
RfRu
K
dm
+
φ
=var
Khi R
f
càng lớn,
β
càng nhỏ nghĩa là đường đặc tính cơ càng dốc. ứng

với R
f
= 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên.

β
TN
=-
2
)(
Ru
dmK
φ


Hình 2-4 các đặc tính cơ của
động cơ 1 chiều kích từ
độc lập khi thay đổi
điện trở phụ mạch phần ứng.
(R
f3
> R
f2
> R
f1
)

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ R
f
ta được một họ đặc tính cơ biến trở.
ứng với một phụ tải M

c
nào đó, nếu M
c
càng lớn thì tốc độ động cơ càng
giảm. Người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và
điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
b) ảnh hưởng của điện áp phần ứng.
Giả sử khi từ thông
φ
=
φ
đm
= const.
TN
R
f1

R
f2

R
f3

M
C

M
ω
0

Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

17
Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với U
đm
ta có tốc độ không tải
lý tưởng: ω
0
=
dmK
U
φ
= var
Độ cứng của đặc tính cơ:
Ru
K
2
)(
φ
β
= const
Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ
đường đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên. Như hình vẽ
2-5 ta thấy rằng:
ω
0

32
1
ω

ω
ω
≠≠≠









Hình 2-5: các đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập
khi giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ (U
3
<U
2
<U
1
<U
đm
).
Khi thay đổi điện áp (giảm áp ) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn
mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với phụ tải nhất
định. Dó đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ
động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
c) ảnh hưởng của t
ừ thông:
Giả sử U
ư

= U
đm
= const.
Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I
kt
của động cơ.
Tốc độ không tải lý tưởng:
U
đm

TN
ω
0

ω
1

ω
2

ω
3

M
C
U
3
U
2
U

1
M
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

18

φ
ω
K
U
dm
=
0

Độ cứng đặc tính cơ:

Ru
K
2
)(
φ
β
−=
=var
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông
nên khi từ thông giảm thì ω
0
sẽ tăng, còn
β
sẽ giảm ta có một họ đường

đặc tính cơ ở hình vẽ 2-6 với ω
0
tăng dần và độ cứng của đặc tính cơ giảm
dần khi giảm từ thông.









Hình 2-6: đặc tính cơ điện (a), đặt tính cơ (b) của động cơ
một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông.
Ta thấy rằng khi thay đổi từ thông thì:
Dòng điện ngắn mạch: I
mn
=
u
dm
R
U
= const.
Mô men ngắn mạch: M
mn
= K var.
=
mn
I

φ
.
Với dạng mô men phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ
khi giảm từ thông thì tốc độ động cơ tăng lên ( Hình 2-6b).
2-2 : Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ.
ω
02

ω
01

ω
0

φ
2

φ
1

φ
đm

I
nm
I
ω
02
ω
01

ω
0

φ
2
φ
1

φ
đm

TN
M
nm
M
nm1
M
nm

M
ω
a)
b)
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

19

Hình 2-7: Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập
E
b
: là S . đ. đ của bộ biến đổi.
R
b
: điện trở bộ biến đổi.
R
ư
: điện trở động cơ.
E
ư
: S .đ .đ của động cơ.
Để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng của động
cơ thì từ thông
dm
φ
φ
= nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ
không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U
đk
của hệ
thống do đó có thể nói phương pháp này là triệt để.

Hình 2-8 Xác định phạm vi điều chỉnh.
ω
0max

ω
max

ω
0min

ω
min

M
đm
M
nm min
E
b3
E
b2
E
b1
E

bđm

ω
M,I
Lk
U®k
BB§ §
~
Rb
R
¦
I
¦
E
¦
U
Eb
a)
b)
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

20
Để xác định phạm vi điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ
thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng
định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất
của dải điều chỉnh b
ị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi
động khi mô men tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất là:
ω
max

=ω
0max
-
β
dm
M

ω
min
=ω
0min
-
β
dm
M

Phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh dưới cơ bản hay dưới
định mức (điều chỉnh từ dưới ω
0min
đến M
đm
).
+ Sai số tốc độ:
Khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ
cứng đặc tính cơ toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tương đối sẽ
đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh.
S% =
min0
min
min

0
ω
ω
ω
.100% =
min0
ω
ω
Δ
.100%
+ Tính mô men cho phép M
cf
:
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ
được giữ nguyên không đổ do đó mô men tải cho phép của hệ sẽ là không
đổi.
M
cf
= K
dmdmdm
MI =.
φ
= hằng số không phụ thuộc vào
ω
.
Vậy M
cf
(ω) = const.
M
cf

(ω) = M
c
(ω).
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là
rất thích hợp với tải có mô men không đổi trong toàn dải điều chỉnh.
2-3 : Hệ thống truyền động điện chỉnh lưu- động cơ.
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

21
Trong hệ thống truyền động điện chỉnh lưu điều khiển - Động cơ một
chiều(CL - Đ), bộ biến đổi điện là mạch chỉnh lưu điều khiển có Sđđ E
d

phụ thuộc vào giá trị pha xung điều khiển (góc điều khiển). chỉnh lưu có
thể là nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động
cơ.
Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và
vào các tính chất của tải, trong truyền động điện tải của chỉ
nh lưu thường là
cuộn kích từ (L-R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L- R- E).
a) Chế độ dòng liên tục: Khi dòng điện chỉnh lưu nếu là liên tục thì sức
điện động chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị
trung bình của sức điện động chỉnh lưu sơ đồ chỉnh lưu 3 pha được
tính như sau:
E
d
=
∫
π
ω

π
2
0
2
1
te
d
=
ttdU
D
D
ωω
π
sin2
2
3
2
4
2
∫

⇒E
d
= Ed
0
. cosα =
π
2
63
U

2
cosα = 1,17 U
2
cosα.
Công thức trên đúng với sơ đồ chỉnh lưu hình tia với sơ đồ hình cầu 3
pha thì điện áp chỉnh lưu không tải là E
d0
=
π
63
U
2
.


⇒ E
d
= 2,34 U
2
. cosα.
Với sơ đồ cầu một pha điện áp chỉnh lưu không tải được tính là:
E
d0
π
22
U
2
= 0,9U
2

b) Chế độ dòng gián đoạn:
Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xẩy ra do năng lượng điện từ
tích luỹ trong mạch khi dòng điện không đủ duy trì tính chất liên tục của
dòng điện khi nó giảm. Lúc này góc dẫn của van trở lên nhỏ hơn 2π/p
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

22
dòng điện này qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn trong
khoảng dẫn của van thì S.đ.đ chỉnh lưu bằng S.đ.đ của động cơ điện.
e
d
=U
L
, 0≤ θ ≤ α
0
+ α
Khi dòng điện bằng 0 , S.đ.đ chỉnh lưu bằng S.đ.đ của động cơ điện.
e
d
= E, α
0
+ α < θ ≤ 2
p/
π

c) Hiện tượng chuyển mach:
Khi phát xung nhằm để mở một hoặc hai van thì điện áp anôt của pha đó
phải dương hơn điện áp của pha có van trong đang dẫn (điện áp nguồn
không đổi dấu), do đó mà dòng điện của nhóm van đang dẫn giảm dầnvề 0,
còn dòng điện của van kế tiếp sẽ tăng dần lên do có điện cảm trong mạch,

mà quá trình x
ẩy ra từ từ. Cùng tại một thời điểm có cả các van đều dẫn
dòng và chuyển mạch giưa các van (hiện tượng trùng dẫn) do có quá trình
chuyển mạch nên điện áp chỉnh lưu nó không được đẹp như trước nữa mà
nó thay đổi dạng điện áp (bị méo đi) dẫn đến điện áp chỉnh lưu bị suy giảm
một lượng là ΔU
γ
trị số điện áp trung bình được tính cho sơ đồ tia 3 pha:
ΔU
γ
=
π
2
3
X
a
I
d

X
a
= ωL
a
= 2
f
π
La
Sơ đồ cầu 3 pha: ΔU
γ
=

π
2
6
X
a
I
d

Sơ đồ cầu 1 pha: ΔU
γ
=
π
2
2
X
a
I
d

Vậy sau khi có hiện tượng chuyển mạch thì điện áp chỉnh lưu được tính
tổng quát theo công thức:
E
d
= Ed
0
cosα - Δ U
γ

2-4: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha.

T
1
G
AB
(-)
+
(+)
-
T
2
G
U
2
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

23









Hình 2-9: sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu điều khiển cầu một pha.

a) Nguyên lý làm việc:
Ở nửa chu kỳ đầu của điện áp nguồn U

2
xoay chiều thì (+) ở A và ở (-)
B, Thyristơ có điều kiện để dẫn dòng. Tại thời điểm θ =θ
1
cho xung điều
khiển vào cực G của T
1
, T
3
lúc này T
1
, T
3
dẫn dòng, dòng điện được khép
kín từ (+) A
→
T
3
→
L
d

→
Z
t

→
T
1

→
(-) B. ở nửa chu kỳ sau thì điện áp
nguồn đổi dấu (+) ở B, (-) ở A Hai Thyristơ này tự nhiên bị khoá lại vì
U
L
=0 và Thyristơ T
2
, T
4
có thể dẫn. Tại thời điểm θ =π+α ta cho xung điều
khiển mở vào cực G của T
2
, T
4
dẫn đến T
2
,T
4
mở cho dòng điện chạy qua,
dòng điện được đi từ +B →T2 →Ld →Zt →T4 →-A kỳ sau thì nguyên lý
lại ngược lại được lặp lại như ban đầu. Tuỳ theo tính chất của tải mà dòng
I
d
có thể là liên tục hoặc gián đoạn.
b) Tải thuần trở R.
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

24

Hình 2-10: Đồ thị điện áp, dòng điện chỉnh lưu cầu 1 pha khi tải là R
Giá trị trung bình của điện áp tải
U
d
=
π
L
U22
(1+cosα)
Giá trị trung bình của dòng tải
I
d
=
2
d
I

Khi θ = θ
1
cho xung điều khiển T
1
,T
3
:U
d
= U
L
hai Tiristơ này sẽ tự
nhiên bị khoá lại khi U
L
= 0 , Khi θ = π+α cho xung điều khiển mở T
2

và T
4
: U
d
= U
L

Dòng tải I
d
là dòng gián đoạn vì I
d
có khoảng thời gian bằng không.
c) Tải trở cảm (R + L)
α

θ
U
d

π
+
α
π
θ
1

θ
2
π
π
θ
1

i
d

i
T1,
3
θ
1

π
θ θ
i

T2,3
2
π
π
+
α
θ
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

25
Dòng tải qua T
1
,T
3
ở thời điểm (π+π) là chưa giảm về 0 khi hai van này
khoá lại vì do tính điện cảm của mạch
Như vậy dòng tải sẽ tiếp tục tồn tạivà chuyển sang hai van vừa mở ra
T
2
,T
4
vì thế ta có chế độ dòng điện liên tục vì với mọi thời điểm đều có
I
d
> 0
Phương trình mạch tải
L
U2
sin θd θ= Rid + x
θ

d
did

∫
+
απ
α
π
sin2
1
L
U
θdθ=
∫∫
+
+ Id
Id
d
did
x
di
R
π
θ
π
απ
α

⇒giá trị trung bình điện áp tải là
U

d
=
π
αcos.
2
U22

giá trị trung bình của van
I
TB
=
2
Id

Ta có đồ thị dạng điện áp dòng điện ở hình (2-11)











π
α
2
π

U
d

θ
i
T1,3
i
d

i
T2,4
π+π

θ
1

π+α
2
π
θ
1

π+α
2
π
θ
θ
θ
1
π+α

θ
1

θ
Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

26







Hình 2-11: đồ thị điện áp, dòng điện chỉnh lưu cầu 1 pha khi tải là (R - L)
d) Hiện tượng chuyển mạch:
giả thiết khi T
1
,T
3
đang mở cho dòng điện chảy qua , i
T1,3
= I
d
khi θ = θ
2

cho xung điều khiển mở T
2
, T

4
vì sự có mặt của L
d
nên dòng T
T1,3
không
thể giảm đột ngột từ Id xuống 0, mà dòng i
T2,4
cũng không thể tăng đột
ngột từ 0 đến I
s
.
Lúc này thì cả 4 Tiristơ cũng mở cho dòng chảy qua gọi là hiện tượng
chuyển mạch (trùng dẫn), phụ tải bị ngắn mạch, U
d
= 0 nguồn e
L
cũng bị
sinh ra dòng ngắn mạch i
c
.
Ta có phương trình:
D
L
d
dic
XcU =
θ
sin2

Nếu chuyển góc toạ độ từ 0 sang θ
2
ta có
θ
=α+θ
d
dic
XcU2
2
)sin(
i
c
=
)]cos([cos α+θ−α
Xc
U2
2

đặt i
c
= i
c1
+ i
c2
với i
c1
= i
c2
=
2

ic

i
c1
làm tăng dòng trong T
4
và làm giảm dòng trong T
3
.
i
c2
làm tăng dòng trong T
2
và làm giảm dòng trong T
1
.
i
T1,3
=I
d
- )]cos([cos
2
2
αθα
+−
Xc
U
L

Chương II: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

27
do hiện tượng chuyển mạch nên điện áp chỉnh lưu bị suy giảm 1 lượng
ΔUγ
ΔUγ =
π
IdXc.2

khi L
d
≠ 0, giá trị trung bình của điện áp tải sẽ là:
U’
d
=
Ud
-
π
IdXc.2
với U
d
= α
π
cos
.
2
U22

Hình 2-12a: sơ đồ nguyên lý trường hợp trùng dẫn
Hình 2-12b: đồ thị điện áp, dòng điện trường hợp trùng dẫn.
θ
α
U
2
θ
2
θ
3
U
d
0
γ
iT
1

θ
α
i
d

i
d
iT
2
0
Ld

Zt
T
3
T
4
T
2
U
L
T
1
i
c1
i
c2