chương 1 những khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động điện

Chơng 1

Những khái niệm cơ bản
về hệ thống truyền động điện

1.1 Cu trỳc v phõn loi h thng truyn ủng ủin
1.1.1 Cu trỳc chung ca h truyn ủng ủin
Truyn ủng cho mt mỏy, mt dõy chuyn sn xut m dựng nng lng ủin thỡ gi l truyn
ủng ủin (T).
H truyn ủng ủin l mt tp hp cỏc thit b nh: thit b ủin, thit b ủin t, thit b ủin
t, c, thy lc phc v cho vic bin ủi ủin nng thnh c nng cung cp cho c cu chp hnh
trờn cỏc mỏy sn xut, ủng thi cú th ủiu khin dũng nng lng ủú theo yờu cu cụng ngh ca
mỏy sn xut.
Xột s ủ truyn ủng ca mỏy bm nc:
ng c bin ủi ủin nng thnh c nng to ra mụmen M lm quay trc mỏy v cỏc cỏnh
bm. Cỏnh bm chớnh l c cu cụng tỏc (CT) hay c cu sn xut (CCSX), nú chu tỏc ủng ca
nc to ra mụmen MCT ngc chiu tc ủ quay ca trc, chớnh mụmen ny tỏc ủng lờn trc
ủng c, ta gi nú l mụmen cn MC. Nu MC cõn bng vi mụmen ủng c: M = MC thỡ h s cú
chuyn ủng n ủnh vi tc ủ khụng ủi = const.

CT (cánh bơm)
M



đ

M CT (M C )

Khớp nối trục

Hình 1.1 - Truyền động ca mỏy bm nc.
Cú th mụ t khỏi quỏt cu trỳc ca mt h thng T bng s ủ khi nh sau:
Phần điện

Phần Cơ

Lứơi điện

BBĐ

Đ

TL

CCSX

ĐK
Giá trị
đặt

Hình 1.2 -Cấu trúc hệ thống truyền động điện.
GV: Lờ Tin Dng _ B mụn TH _ Khoa in

1


Ta có thể chia các khâu của hệ truyền ñộng ñiện thành hai phần: phần ñiện và phần cơ. Phần
ñiện gồm lưới ñiện, bộ biến ñổi BBð, mạch ñiện - từ của ñộng cơ ð và các thiết bị ñiều khiển ðK.
Phần cơ gồm rotor và trục ñộng cơ, khâu truyền lực TL và cơ cấu sản xuất CCSX.
1. BBð: Bộ biến ñổi, dùng ñể biến ñổi loại dòng ñiện (xoay chiều thành một chiều hoặc ngược

lại), biến ñổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến ñổi mức ñiện áp (hoặc
dòng ñiện), biến ñổi số pha, biến ñổi tần số...
Các BBð thường dùng là máy phát ñiện, hệ máy phát - ñộng cơ (hệ F-ð), các chỉnh lưu không
ñiều khiển và có ñiều khiển, các bộ biến tần...
2. ð: ðộng cơ ñiện, dùng ñể biến ñổi ñiện năng thành cơ năng hay cơ năng thành ñiện năng
(khi hãm ñiện).
Các ñộng cơ ñiện thường dùng là: ñộng cơ xoay chiều KðB ba pha rôto dây quấn hay lồng sóc;
ñộng cơ ñiện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cữu; ñộng cơ
xoay chiều ñồng bộ...
3. TL: Khâu truyền lực, dùng ñể truyền lực từ ñộng cơ ñiện ñến cơ cấu sản xuất hoặc dùng ñể
biến ñổi dạng chuyển ñộng (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phù hợp về tốc ñộ, mômen, lực.
ðể truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, ñai truyền, các bộ ly hợp
cơ hoặc ñiện từ...
4. CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ
(gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển...).
5. ðK: Khối ñiều khiển, là các thiết bị dùng ñể ñiều khiển bộ biến ñổi BBð, ñộng cơ ñiện ð,
cơ cấu truyền lực.
Khối ñiều khiển bao gồm các cơ cấu ño lường, các bộ ñiều chỉnh tham số và công nghệ, các khí
cụ, thiết bị ñiều khiển ñóng cắt có tiếp ñiểm (các rơle, công tắc tơ) hay không có tiếp ñiểm (ñiện tử,
bán dẫn). Một số hệ Tðð Tð khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự ñộng khác như máy tính
ñiều khiển, các bộ vi xử lý, PLC...
Các thiết bị ño lường, cảm biến (sensor) dùng ñể lấy các tín hiệu phản hồi có thể là các loại
ñồng hồ ño, các cảm biến từ, cơ, quang...
Một hệ thống Tðð không nhất thiết phải có ñầy ñủ các khâu nêu trên. Tuy nhiên, một hệ thống
Tðð bất kỳ luôn bao:
- Phần lực.
- Phần ñiều khiển.
Một hệ thống truyền ñộng ñiện ñược gọi là hệ hở khi không có phản hồi, và ñược gọi là hệ kín
khi có phản hồi, nghĩa là giá trị của ñại lượng ñầu ra ñược ñưa trở lại ñầu vào dưới dạng một tín
hiệu nào ñó ñể ñiều chỉnh lại việc ñiều khiển sao cho ñại lượng ñầu ra ñạt giá trị mong muốn.

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền ñộng ñiện
Người ta phân loại các hệ truyền ñộng ñiện theo nhiều cách khác nhau tùy theo ñặc ñiểm của
ñộng cơ ñiện sử dụng trong hệ, theo mức ñộ tự ñộng hoá, theo ñặc ñiểm hoặc chủng loại thiết bị của
bộ biến ñổi... Từ cách phân loại sẽ hình thành tên gọi của hệ.

GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TðH _ Khoa ðiện

2


a) Theo ñặc ñiểm của ñộng cơ ñiện:
- Truyền ñộng ñiện một chiều: Dùng ñộng cơ ñiện một chiều. Truyền ñộng ñiện một chiều sử
dụng cho các máy có yêu cầu cao về ñiều chỉnh tốc ñộ và mômen, nó có chất lượng ñiều chỉnh tốt.
Tuy nhiên, ñộng cơ ñiện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, hơn nữa nó ñòi hỏi phải có
bộ nguồn một chiều, do ñó trong những trường hợp không có yêu cầu cao về ñiều chỉnh, người ta
thường chọn ñộng cơ KðB ñể thay thế.
- Truyền ñộng ñiện không ñồng bộ: Dùng ñộng cơ ñiện xoay chiều không ñồng bộ. ðộng cơ
KðB ba pha có ưu ñiểm là có kết cấu ñơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp
trực tiếp từ lưới ñiện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên, trước ñây các hệ truyền ñộng ñộng cơ KðB lại
chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ KðB có khó khăn hơn ñộng cơ ñiện một
chiều. Trong những năm gần ñây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị
bán dẫn công suất và kỹ thuật ñiện tử tin học, truyền ñộng không ñồng bộ phát triển mạnh mẽ và
ñược khai thác các ưu ñiểm của mình, ñặc biệt là các hệ có ñiều khiển tần số. Những hệ này ñã ñạt
ñược chất lượng ñiều chỉnh cao, tương ñương với hệ truyền ñộng một chiều.
- Truyền ñộng ñiện ñồng bộ: Dùng ñộng cơ ñiện xoay chiều ñồng bộ ba pha. ðộng cơ ñiện
ñồng bộ ba pha trước ñây thường dùng cho loại truyền ñộng không ñiều chỉnh tốc ñộ, công suất lớn
hàng trăm KW ñến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máy nghiền.v.v..).
Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp ñiện tử, ñộng cơ ñồng bộ ñược nghiên cứu
ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải công suất từ vài trăm W (cho cơ cấu ăn dao máy
cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển ñộng của tay máy, người máy) ñến hàng MW (cho các truyền ñộng

máy cán, kéo tàu tốc ñộ cao...).
b) Theo tính năng ñiều chỉnh:
- Truyền ñộng không ñiều chỉnh: ðộng cơ chỉ quay máy sản xuất với một tốc ñộ nhất ñịnh.
Các hệ truyền ñộng không ñiều chỉnh thường phải kết hợp với một hộp tốc ñộ ñể thực hiện ñiều
chỉnh bằng cơ khí, do ñó kết cấu của phần cơ phức tạp, chất lượng ñiều chỉnh thấp, giá thành của
máy sản xuất cao.
- Truyền có ñiều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta có truyền ñộng
ñiều chỉnh tốc ñộ, truyền ñộng ñiều chỉnh mômen, lực kéo và truyền ñộng ñiều chỉnh vị trí.
c) Theo thiết bị biến ñổi:
- Hệ máy phát - ñộng cơ (F-ð): ðộng cơ ñiện một chiều ñược cấp ñiện từ một máy phát ñiện
một chiều (bộ biến ñổi máy ñiện).
Thuộc hệ này có hệ máy ñiện khuếch ñại - ñộng cơ (MðKð - ð), ñó là hệ có BBð là máy ñiện
khuếch ñại từ trường ngang.
- Hệ chỉnh lưu - ñộng cơ (CL - ð): ðộng cơ một chiều ñược cấp ñiện từ một bộ chỉnh lưu
(BCL). Chỉnh lưu có thể không ñiều khiển (ðiôt) hay có ñiều khiển (Thyristor)...
- Hệ biến tần - ñộng cơ không ñồng bộ.
d) Theo mức ñộ tự ñộng hóa:
Ta có hệ truyền ñộng ñiện không tự ñộng và hệ truyền ñộng tự ñộng.

GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TðH _ Khoa ðiện

3


Cỏc h khụng t ủng thng l ủn gin v ủc s dng cho bt k ủõu nu cú th ủc.
Lỳc ủú phn ủin ca h cú th ch cú ủng c ủin khụng ủng b v mt vi khớ c ủúng - ct,
bo v nh ỏptụmỏt, khi ủng t. Cỏc h truyn ủng t ủng l cỏc h truyn ủng ủiu chnh
vũng kớn cú vi mch phn hi. Cht lng ủiu chnh ca cỏc h ny l rt cao, cú th ủỏp ng bt
k yờu cu no ca quỏ trỡnh cụng ngh mỏy sn xut.
e) Mt s cỏch phõn loi khỏc:

Ngoi cỏc cỏch phõn loi trờn, cũn cú mt s cỏch phõn loi khỏc nh truyn ủng ủo chiu v
khụng ủo chiu, truyn ủng ủn (nu dựng mt ủng c) v truyn ủng nhiu ủng c (nu dựng
nhiu ủng c ủ phi hp truyn ủng cho mt c cu cụng tỏc), truyn ủng quay v truyn ủng
thng,...
1.2 Đặc tính cơ của truyền động điện
1.2.1 Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất
Đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ quay và mômen quay:
= f(M) hoặc n = F(M)
Trong đó:

- Tốc độ góc (rad/s).
n - Tốc độ quay (vg/ph).
M - Mômen (N.m).

Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất:
Mc = f().
Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng đợc biếu diễn dới dạng
biểu thức tổng quát:


Mc = Mco + (Mđm - Mco)
dm

q

(1.1)

Trong đó:
Mc là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ .
Mco là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ = 0.

Mđm là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ định mức đm


q = -1
1

q=1

q=0
2

3
1: Đặc tính cơ ứng với q = -1.
4

q=2

đm

2: Đặc tính cơ ứng với q = 0.
3: Đặc tính cơ ứng với q = 1.
4: Đặc tính cơ ứng với q = 2.

M
Mco

M cđm

Hình 1.3 - Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất ứng với các trờng
hợp máy sản xuất khác nhau.

GV: Lờ Tin Dng _ B mụn TH _ Khoa in

4


Ta có các trờng hợp số mũ q ứng với các trờng hợp tải:

q

Mc
1

P
(công suất)

-1

~

0

Const

~

1

~

~2

2

~2

~3



Const

Loại tải
ứng với trờng hợp đặc tính cơ của cơ cấu máy
quấn dây, cuốn giấy, cơ cấu truyền động chính của
các máy cắt gọt kim loại nh máy tiện.
Các cơ cấu nâng-hạ, băng tải, máy nâng vận
chuyển, truyền động ăn dao máy gia công kim loại.
Máy phát điện một chiều với tải thuần trở.
Đặc tính cơ của các máy thủy khí: bơm, quạt, chân
vịt tàu thủy...

1.2.2 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: =f(M).
Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo. Dạng đặc tính
cơ của mỗi loại động cơ khác nhau thì khác nhau và sẽ đợc phân tích trong chơng 2.
Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ = f(M) của động cơ điện khi các thông số nh điện áp,
dòng điện... của động cơ là định mức theo thông số đã đợc thiết kế chế tạo và mạch điện của động
cơ không nối thêm điện trở, điện kháng...
Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ = f(M) của động cơ điện khi các thông số điện không
đúng định mức hoặc khi mạch điện có nối thêm điện trở, điện kháng... hoặc có sự thay đổi mạch

nối.
Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều ngời ta còn sử dụng đặc tính cơ điện. Đặc
tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ:
= f(I) hay n = f(I).
Trong hệ TĐĐ bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lợng điện - cơ. Chính quá trình biến
đổi này quyết định trạng thái làm việc của động cơ điện. Ngời ta định nghĩa nh sau: Dòng công
suất điện Pđiện có giá trị dơng 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. cấp cho máy SX (sau khi đã có tổn thất P).
Công suất cơ Pcơ có giá trị dơng nếu mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay, có
giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngợc chiều tố độ
quay.
Công suất điện Pđiện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn.
Tuỳ thuộc vào biến đổi năng lợng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc của động cơ gồm:
Trạng thái động cơ và trạng thái hãm. Trạng thái hãm và trạng thái động cơ đợc phân bố trên đặc
tính cơ (M) ở 4 góc phần t nh sau:
- ở góc phần t I, III: Trạng thái động cơ.
- ở góc phần t II, IV: Trạng thái hãm.

GV: Lờ Tin Dng _ B mụn TH _ Khoa in

5



II

Trạng thái hãm

I

Trạng thái động cơ

Mđ



Mc
Mc

Pc = Mđ. < 0

Mđ

Pc = Mđ. > 0

M
Pc = Mđ. > 0
Mđ
Mc

III Trạng thái động cơ

Pc = Mđ. < 0
Mc


Mđ

IV Trạng thái hãm

Hình 1.4 - Các trạng thái làm việc của động cơ điện.
1.2.3 Sự phù hợp giữa đặc tính cơ của động cơ điện và đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất
Trong hệ thống TĐĐ, động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp động lực cho cơ cấu sản xuất. Các cơ
cấu sản xuất của mỗi loại máy có các yêu cầu công nghệ và đặc điểm riêng. Máy sản xuất lại có rất
nhiều loại, nhiều kiểu với kết cấu rất khác biệt. Động cơ điện cũng vậy, có nhiều loại, nhiều kiểu với
các tính năng, đặc điểm riêng.
Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối u thờng là chế độ định
mức của động cơ. Để một hệ thống TĐĐ làm việc tốt, có hiệu quả thì giữa động cơ điện và cơ cấu
sản xuất phải đảm bảo có một sự phù hợp tơng ứng nào đó. Việc lựa chọn hệ TĐĐ và chọn động cơ
điện đáp ứng đúng các yêu cầu của cơ cấu sản xuất có ý nghĩa lớn không chỉ về mặt kỹ thuật mà cả
về mặt kinh tế.
Do vậy, khi thiết kế hệ thống TĐĐ, ngời ta thờng chọn hệ truyền động cũng nh phơng
pháp điều chỉnh tốc độ sao cho đờng đặc tính cơ của động cơ càng gần với đờng đặc tính cơ của
cơ cấu sản xuất càng tốt. Nếu đảm bảo đợc điều kiện này, thì động cơ sẽ đáp ứng tốt đòi hỏi của cơ
cấu sản xuất khi mômen cản thay đổi và tổn thất trong quá trình điều chỉnh là nhỏ nhất.

GV: Lờ Tin Dng _ B mụn TH _ Khoa in

6