Giáo Trình Truyền động điện – Trường Trung cấp Kinh tế Kỹ thuật Quận 12
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.42 MB, 120 trang )
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo Trình Truyền động điện là tài liệu dùng để dạy cho học sinh, sinh viên chun
ngành điện dân dụng và cơng nghiệp. Nhằm hình thành các kiến thức ứng dụng, kỹ năng
phân tích các trạng thái làm việc của động cơ và thái độ nghề nghiệp cơ bản ở trình độ
trung cấp, cao đẳng trong phạm vi mơn học. Ngồi ra, nó có thể dùng làm tài liệu tham
khảo cho các kỹ thuật viên, học sinh, sinh viên, cơng nhân trong các lĩnh vực nghề nghiệp
có nội dung thực hành liên quan.
Nội dung giáo tình bao gồm các phần: Đặc tính cơ của động cơ điện, Điều
chỉnh tốc độ truyền động điện, Chọn công suất động cơ điện.
Tài liệu do các giáo viên bộ mơn điện dân dụng và cơng nghiệp, khoa cơng nghệ
điệnđiện lạnh, Trường Trung cấp Kinh Tế Kỹ Thuật Quận 12 thành phố Hồ Chí Minh
biên soạn, theo chương trình khung của sở Lao Động Thương Binh Xã Hội. Hy vọng
giáo trình này sẽ giúp cho các giáo viên và học sinh, sinh viên trong việc giảng dạy, học
tập mơn học đạt kết quả tốt, với chất lượng và hiệu quả cao.
Với kinh nghiệm và trình độ cịn hạn chế, tác giả rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp, chỉ bảo của các chun gia, giáo viên, giảng viên, và các bạn đọc quan
tâm, để bổ sung điều chỉnh cho giáo trình ln được cập nhật và hồn thiện theo hướng
cơ bản, hiện đại phù hợp với điều kiện Việt Nam và nhu cầu xã hội.
Mọi ý kiến xin gửi về :
Khoa Cơng Nghệ điện – điện lạnh
Trường trung cấp kinh tế kỹ thuật Quận 12
Số 36HT11 – Phường Hiệp Thành – Quận 12
Chúng tơi xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp trong khoa cơng nghệ điện – điện
lạnh, trường Trung cấp kinh tế Kỹ Thuật Quận 12 đã có những đóng góp q báu để
cuốn giáo trình được hồn thành.
TP.HỒ CHÍ MINH, ngày…..tháng…. năm 2017
Tham gia biên soạn
GV. Nguyễn Thành Cơng Chủ biên
. .
Trang 1
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
MỤC LỤC
. .
Trang 2
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
TÊN MƠ ĐUN:
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Mã mơ đun: MH15
I. Vị trí, tính chất của mơn học:
Vị trí: Trước khi học mơn học này cần hồn thành các mơ đun và mơn học cơ sở,
đặc biệt các mơ đun và mơn học: Mạch điện; Trang bị điện; Máy điện.
Tính chất: Là mơn chun ngành thuộc các mơn học đào tạo nghề bắt buộc.
II. Mục tiêu mơn học
Về kiến thức:
Trình bày được ngun tắc và phương pháp điều khiển tốc độ của hệ truyền
động điện.
Đánh giá được đặc tính động của hệ điều khiển truyền động điện.
Về kỹ năng:
Tính chọn được động cơ điện cho hệ truyền động khơng điều chỉnh.
Lựa chọn được các bộ biến đổi phù hợp với u cầu hệ truyền động
Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
Ren lun tinh cân thân, ti mi, chinh xac, t
̀
̣ ́
̉
̣
̉ ̉
́
́ ư duy khoa hoc va sang tao.
̣
̀ ́
̣
III. Nội dung mơn học:
1. Nội dung tổng qt và phân phối thời gian:
Thời gian (giờ)
Thực
Số
TT
Tên
chương
mục
hành, thí
Tổng
Lý
nghiệm,
Kiểm
số
thuyết
thảo
tra
luận, bài
tập
1
2
Bài mở đầu: Khái qt chung về hệ
truyền động điện
Bài 1.
Cơ học truyền động điện.
1
1
2
2
. .
Trang 3
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Bài 2. Các đặc tính và trạng thái làm
3
10
10
việc của động cơ điện.
Bài 3. Điều khiển tốc độ truyền
4
10
10
động điện.
Bài 4. Ổn định tốc độ của hệ thống
5
7
6
1
truyền động điện.
Bài 5. Đặc tính động của hệ truyền
6
8
8
động điện.
Bài 6. Chọn cơng suất động cơ cho
7
7
6
1
hệ truyền động điện.
Cộng:
45
43
2
. .
Trang 4
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI QT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN
1. Khái qt chung về hệ truyền động
1.1.1. Định nghóa:
Truyền động điện (TĐĐ) là quá trình dùng năng lượng điện (điện năng)
biến đổi thành năng lượng cơ học (cơ năng) để truyền động lực nhằm làm vận
hành một hệ thống máy móc thiết bị hoặc một dây chuyền sản xuất trong
công nghiệp.
Hệ thống TĐĐ là một tập hợp bao gồm các thiết bị dùng để biến đổi
năng lượng điện thành năng lượng cơ và cả các thiết bị dùng để điều khiển,
hỗ trợ quá trình biến đổi đó.
1.1.2. Cấu trúc:
Một hệ thống TĐĐ, trong trường hợp tổng quát, bao gồm các phần tử cơ
bản sau:
Hình1.1: Sơ đồ cấu trúc một hệ thống truyền động điện
* Nguồn năng lượng: Cung cấp toàn bộ năng lượng đầu vào để làm cơ sở
vận hành cho cả hệ thống truyền động.
* Bộ biến đổi công suất: Biến đổi và điều khiển năng lượng nguồn sang
dạng thích hợp với động cơ và yêu cầu của tải.
. .
Trang 5
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
* Bộ điều khiển: Có chức năng theo dõi và điều khiển để đảm bảo sự
hoạt động và tính ổn định của hệ truyền động.
* Tín hiệu đặt: Bao gồm các thông số, chỉ tiêu, các tín hiệu đã được
chuẩn hóa theo các yêu cầu điều khiển.
* Động cơ điện: Dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng (chế độ
động cơ) hay cơ năng thành điện năng (chế độ máy phát khi thực hiện các
trạng thái hãm điện)
* Máy sản xuất hay cơ cấu chấp hành: Dùng để thực hiện các quy trình
sản xuất cụ thể cũng như các yêu cầu công nghệ nhất định.
1.1.3. Phân loại hệ thống TĐĐ:
Các hệ thống TĐĐ được phân loại theo nhiều hình thức khác nhau:
1.1.3.1. Theo số lượng động cơ truyền động:
Truyền động nhóm : Là hệ truyền động trong đó chỉ gồm một động cơ
kéo một nhóm gồm nhiều máy sản xuất.
Truyền động đơn động cơ: Trong hệ thống TĐĐ này, một động cơ điện
kéo toàn bộ hệ truyền động của một máy sản xuất. Các chuyển động phức
tạp khác nhau trong máy đều lấy từ động cơ duy nhất đó thông qua các kết
cấu cơ khí tương thích.
Truyền động đa động cơ: Làhệ thống mà trong đó mỗi chuyển động
riêng biệt của một máy sản xuất (lớn) là do một động cơ riêng biệt nhất
định thực hiện.
1.1.3.2. Theo đặc điểm của chuyển động truyền động:
Truyền động quay: Việc truyền động trong hệ thống được thực hiện
dưới dạng các chuyển động quay tròn, có hoặc không có các trạng thái thay
đổi chiều quay của động cơ.
Truyền động thẳng: Việc truyền động trong hệ thống được thực hiện
dưới dạng các chuyển động thẳng, tịnh tiến, qua lại, chuyển động trượt…
1.1.3.3. Theo chế độ làm việc của hệ thống:
Chế độ làm việc liên tục: Hệ thống truyền động điện vận hành liên
tục trong thời gian lâu dài
. .
Trang 6
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Chế độ làm việc gián đoạn: Hệ thống truyền động điện làm việc
trong những khoảng thời gian ngắn hạn, gián đoạn, có thể lặp lại hoặc không
lặp lại.
1.1.3.4. Theo phân loại nguồn điện cung cấp:
Truyền động điện xoay chiều: Nguồn năng lượng cung cấp cho toàn bộ
hệ thống truyền động điện là nguồn điện xoay chiều và việc truyền động
điện được thực hiện bằng các động cơ điện xoay chiều.
Truyền động điện một chiều: Nguồn năng lượng cung cấp cho toàn bộ
hệ thống truyền động là nguồn một chiều và việc truyền động điện được
thực hiện bằng các động cơ điện một chiều. Loại này còn được phân ra 2 loại
hình dựa theo thiết bị biến đổi nguồn như sau:
* Hệ Máy phát Động cơ (FĐ): Động cơ điện một chiều được cấp nguồn
từ một máy phát điện một chiều.
* Hệ Chỉnh lưu Động cơ (CLĐ): Động cơ điện một chiều được cấp nguồn
một chiều thông qua một bộ chỉnh lưu từ lưới xoay chiều.
1.1.3.5. Theo đặc tính thay đổi các thông số điện của hệ thống:
Truyền động không điều chỉnh: Động cơ truyền động được nối trực tiếp
với nguồn điện và làm việc với một tốc độ nhất định. Các thông số điện
của hệ thống chỉ bị thay đổi do ảnh hưởng của các nhiễu loạn bên ngoài.
Truyền động có điều chỉnh: Các thông số điện của hệ thống có thể
được thay đổi nhờ các thiết bị điều khiển. Tùy theo từng yêu cầu công nghệ
của các máy sản xuất mà có truyền động điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh vị
trí, điều chỉnh lực hoặc moment.
1.2. Các khái niệm cơ bản về đặc tính cơ của máy sản xuất:
1.2.1. Đặc tính cơ của máy sản xuất:
Đặc tính cơ của máy sản xuất hay đặc tính cơ của phụ tải là quan hệ giữa
moment của phụ tải với tốc độ quay. Theo các kết quả thực nghiệm, đặc tính
cơ của phụ tải được biểu diễn dưới dạng phương trình tổng quát sau:
Mc = Mco + (Mcđm – Mco) (
(1.1)
Trong đó:
. .
Trang 7
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Mc : Moment cản ứng với tốc độ . (Còn gọi là moment
phụ tải).
Mco : Moment cản ứng với tốc độ = 0.
Mcđm : Moment cản (định mức) ứng với tốc độ =
.
đm
: Hệ số làm việc phụ thuộc vào tính chất của từng loại
máy sản xuất.
1.2.2. Các dạng đặc biệt của đặc tính cơ của máy sản xuất:
1.2.2.1. Đồ thị đặc tính cơ của máy sản xuất:
Hình 1.2: Đồ thị biểu diễn các đặc tính cơ của máy sản xuất
1.2.2.2. Các dạng đặc biệt của đặc tính cơ:
Từ phương trình tổng quát của đặc tính cơ của máy sản xuất (hay đặc tính
cơ phụ tải):
Mc = Mco + (Mcđm – Mco) (
Ta có các trường hợp sau:
= 0: Phương trình (1.1) trở thành:
Mc = Mcđm
Đặc tính cơ là đường (1) trên hình 1.2. Đó là đặc tính cơ của các cơ cấu
nânghạ các tải trọng lượng, các băng tải khi khối lượng di chuyển không thay
đổi trong suốt quá trình truyền động, cơ cấu ăn dao của máy cắt gọt kim loại,…
Trường hợp này moment cản không phụ thuộc vào tốc độ.
= 1: phương trình (1.1) trở thành :
. .
Trang 8
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Mc =
Đặc tính cơ là đường (2), đây chính là đặc tính cơ của máy phát điện một
chiều với tải thuần trở. Trường hợp này moment cản tỉ lệ bậc nhất với tốc
độ.
= 2: phương trình (1.1) trở thành:
Mc =
Đặc tính cơ là đường (3), là đặc tính cơ của các máy bơm ly tâm, máy quạt
gió,... Trường hợp này moment cản tỉ lệ bậc hai với moment tốc độ.
= 1: phương trình (1.1) trở thành:
Mc =
Đặc tính cơ là đường (4), đây là đặc tính cơ của cơ cấu các máy cuốn
dây, cuộn giấy, truyền động quay trục chính của các máy cắt gọt kim loại,...
Moment cản ở đây tỉ lệ nghịch với tốc độ.
Đặc tính moment của phụ tải được phân biệt thành hai loại: Đặc tính của
moment cản phản kháng (moment cản thụ động) và đặc tính của moment cản
thế năng (moment cản tích cực).
Moment cản thế năng không phụ thuộc vào chiều quay như các tác
động của tải tạo ra từ lực đàn hồi của các lò xo,…
Moment cản phản kháng luôn luôn chống lại chiều quay như moment ma
sát, moment của cơ cấu ăn dao trong các máy cắt gọt kim loại …
. .
Trang 9
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
2. Phụ tải và phần cơ của truyền động điện
Phần cơ của hệ truyền động điện bao gồm các phần tử chuyển động từ rotor động
cơ cho đến cơ cấu cơng tác. Mỗi phần tử chuyển động được đặc trưng bởi các đại
lượng sau:
Lực tác động (F): N (Niuton)
- Momen tác động (M): Nm (Niuton mét)
- Tốc độ góc (ω): rad/s (radian/giây)
- Tốc độ thẳng (v): m/s (mét/giây)
- Momen qn tính (J): kgm2 (kilogam khối mét bình phương)
- Khối lượng (m): kg (kilogam khối).
Chú ý: Nếu các đại lượng trên cho theo các đơn vị khác thì khi tính tốn cần đổi về hệ
đơn vị đo lường quốc tế (SI) như đã nêu trên. Ví dụ, nếu lực cho theo KG, momen cho theo
2
2
KGm, tốc độ cho theo vịng/phút, qn tính cho theo momen đà GD với đơn vị là KGm , thì:
2
2
1KG = 9.8 N; 1KGm = 9.8 Nm; 1 vịng/phút = 9,55 rad/s; GD [KGm2] = 4J [Kgm ].
. .
Trang 10
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
BÀI 1: CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Mục tiêu:
Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện.
Tính tốn qui đổi mơ men cản, lực cản, mơ men qn tính về đâu tr
̀ ục động cơ.
Xây dựng được phương trình chuyển động của hệ truyền động điện.
Phân biệt được các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện.
Rèn luyện đức tính chu đơng, nghiêm tuc trong hoc tâp va cơng viêc.
̉ ̣
́
̣ ̣
̀
̣
Nội dung:
a.1.
Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính tốn qui đổi các khâu cơ khí của
truyền động điện.
Khi nghiên cứu sự làm việc của hệ thống TĐĐ, ta thường chú ý đến ba
yếu tố:
Lực hay Moment: (F, M)
Tốc độ chuyển động: ( ).
Thời gian chuyển động:
(t).
Chuyển động của một hệ thống TĐĐ thông thường chỉ gồm hai loại:
Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.
1.1. Hệ thống chuyển động tịnh tiến:
Trong hệ thống chuyển đông tịnh tiến, thông thường vật chuyển động có
khối lượng không đổi hoặc được xem như không đổi (vì lượng thay đổi là nhỏ
so với khối lượng toàn bộ phần chuyển động), nên theo định luật II Newton, ta
có phương trình của chuyển động tịnh tiến:
Fđ – Fc = Fa = ma = m.
(1.3)
Trong đó :
Fc : lực cản chuyển động của cơ cấu sản xuất (N)
Fđ : lực phát động do động cơ điện sinh ra (N)
. .
Trang 11
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Fa : lực tạo ra gia tốc cho chuyển động (N)
m : khối lượng quán tính của vật chuyển động (kg)
a = : gia tốc chuyển động (m/s2)
1.2. Hệ thống chuyển động quay:
Trong hệ thống chuyển động quay, nếu cũng xem moment quán tính là
không đổi thì tương tự, áp dụng định luật II Newton, ta cũng có:
Mđ – Mc = M = J. = J.
(1.4)
Trong đó:
Mc: moment cản do cơ cấu sản xuất tác dụng lên hệ thống
Mđ: moment do động cơ điện tạo ra
(N.m)
M : moment tạo ra gia tốc góc cho chuyển động
(N.m)
J : moment quán tính của hệ truyền động quay
(N.m)
(N.m)
(rad/s2)
= : gia tốc góc của hệ thống
Các phương trình (1.3) và (1.4) là các phương trình cơ bản của hệ chuyển
động tịnh tiến và của hệ chuyển động quay.
Tốc độ quay khi tính theo đơn vị (v/p) là n và khi theo tính đơn vị (rad/s) là
được biểu diễn theo quan hệ sau:
= 2p
Vì vậy (1.4) trở thành:
(rad/s)
(1.5)
M = J. = (1.6)
Từ các phương trình (1.3) và (1.4) ta thấy:
Khi a = > 0
nghóa là: Fđ > Fc
Hoặc = > 0
nghóa là: Mđ > Mc
Khi a = < 0
nghóa là: Fđ < Fc
Hoặc = < 0
nghóa là: Mđ < Mc
Khi a = = 0
nghóa là: Fđ = Fc
Hoặc = = 0
nghóa là: Mđ = Mc
Trong trường hợp này, hệ sẽ chuyển động đều hoặc quay đều
1.3. Xét dấu moment:
Tùy thuộc vào quá trình chuyển hóa và tiêu thụ năng lượng trong hệ
thống TĐĐ mà một động cơ tại bất kỳ thời điểm nào, luôn chỉ có thể tồn
. .
Trang 12
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
tại ở một trong hai trạng thái làm việc là Trạng thái động cơ hoặc Trạng thái
hãm (trạng thái máy phát)
Quy tắc xét dấu moment phải tương ứng với chiều chuyển động, người ta
quy ước các moment hướng cùng chiều quay của truyền động có giá trị dương,
còn các moment hướng ngược chiều quay của truyền động sẽ có giá trị âm.
Đối với việc xét dấu tốc độ, người ta quy ước chiều chuyển động của
động cơ là dương, bất chấp động cơ quay theo chiều nào. Và vì vậy:
* Moment của động cơ ở trạng thái động cơ sẽ mang dấu dương vì nó
hướng theo chiều quay động cơ, còn ở trạng thái hãm là âm vì hướng ngươcï
chiều quay động cơ.
Phương trình cân bằng công suất của một hệ TĐĐ là:
Pđ = Pc + P
Trong đó:
Pđ – công suất điện cung cấp cho hệ TĐĐ
Pc – công suất cơ mà hệ tiêu thụ
P – tổn thất công suất
Quan hệ giữa Pc và MĐ theo biểu thức sau:
Pc = MĐ .
* Moment của máy sản xuất hay moment cản có dấu tùy thuộc vào phân
loại sau:
+ Moment cản phản kháng luôn có chiều chống lại chuyển động do động
cơ tiến hành. Moment sẽ đảo chiều khi đổi chiều quay của động cơ.
Các moment cản loại này thường là moment ma sát, moment cắt của các
máy cắt gọt kim loại…
+ Moment cản thế năng luôn có chiều tác động không thay đổi khi động
cơ đổi chiều quay. Do vậy, nếu ở chiều quay này, moment cản thế năng gây
cản trở chuyển động thì ở chiều quay ngược lại, nó sẽ hỗ trợ chuyển động.
Moment cản thế năng chính là các trường hợp moment cản trong các cơ cấu
nânghạ cần trục, cẩu trục, palăng…
. .
Trang 13
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Hình 1.4: Các trạng thái làm việc của động cơ điện trên các góc phần tư đặc
tính cơ.
Hình 1.5: Các loại moment cản
(a) Moment cản phản kháng; (b) Moment cản thế năng
1.4. Quy đổi các đại lượng về trục động cơ:
Một hệ thống truyền động điện có thể gồm nhiều bộ phận chuyển động,
các bộ phận đó có thể có những hình thức chuyển động khác nhau theo
những tốc độ chuyển động khác nhau.
Khi nghiên cứu về quá trình vận hành của hệ thống TĐĐ, ta cần thành
lập phương trình chuyển động của toàn bộ hệ thống. Các phương trình (1.3), (1.4)
chỉ đúng khi toàn bộ các đại lượng đều được khảo sát ở cùng một thời
điểm và tại cùng vị trí nhất định nào đó. Do đó ta phải tính toán quy đổi các
đại lượng lực cản Fc, moment cản Mc, moment quán tính J, khối lượng quán tính m
về một điểm, thông thường là trục động cơ.
. .
Trang 14
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Nguyên tắc tính quy đổi dựa trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng,
nghóa là công suất hoặc động năng của hệ thống trước và sau quy đổi phải
bằng nhau.
1.4.1. Quy đổi moment cản về trục động cơ:
Đối với cơ cấu trên hình 1.6, moment cản Mc trên tang quay cần phải được
quy đổi về trục động cơ, tức là cần xác định giá trị moment quy đổi tương ứng
Mqđ đặt trên trục động cơ. Hay nói cách khác, giá trị moment quy đổi Mqđ về
trục động cơ là giá trị moment của động cơ cần có tại trục của nó để sau khi
truyền qua hệ truyền lực tới tang quay phải có giá trị đủ lớn để thắng moment
cản Mc.
Công do động cơ sinh ra truyền tới tang trống là:
Mqđ . Đ . . t
Trong đó: hiệu suất của cơ cấu truyền lực từ động cơ tới tang quay:
=
1
.
(1.7)
2
Theo định luật bảo toàn năng lượng thì công này bằng công ở tang quay,
tức là:
Mqđ . Đ . . t = Mc . T . t
Hay:
(N.m)
Với:
(1.9)
(1.8)
Trong đó: i là tỷ số truyền lực từ trục động cơ tới trục tang trống.
i = i1 . i2 . i3 …
(1.10)
. .
Trang 15
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Vậy, động cơ muốn khắc phục được moment cản Mc tại trục tang quay thì
phải sinh ra một moment Mqđ trên trục của nó tính theo công thức (1.8)
1.4.2. Quy đổi lực cản của moment tịnh tiến thành moment trên trục động
cơ:
Đối với cơ cấu truyền động trên hình (1.6) khi tính quy đổi về trục động cơ
lực Fc do vật chuyển động tịnh tiến gây ra với một tốc độ v. Công mà động cơ
cần có được tính bởi công thức sau:
Fc . v . t
Vậy:
Mqđ . đ . .t =Fc.v.t
Hay:
Mqđ = (N.m) (1.11)
Trong đó là bán kính quy đổi của chuyển động tịnh tiến về trục động
cơ.
1.4.3. Quy đổi moment quán tính về trục động cơ
Moment quán tính J và khối quán tính m đặc trưng cho tính “ ì ” cùa một vật
chuyển động quay tròn và chuyển động thẳng. Trong một hệ thống TĐĐ, các
phần tử chuyển động đều có moment quán tính (nếu là chuyển động quay)
hoặc khối quán tính (nếu là chuyển động thẳng) và khi khảo sát tính toán
cũng cần quy đổi chúng về trục động cơ.
Để tính quy đổi moment quán tính của tang quay Jt trên trục quay T4 thành
moment quán tính quy đổi Jqđ trên trục động cơ, ta tính động năng tích lũy của
tang quay:
Và động năng tích lũy trên trục động cơ tương ứng với moment quy đổi Jqđ
Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
=
Suy ra :
Jqđ = (1.12)
1.4.4. Quy đổi khối quán tính của chuyển động tịnh tiến thành moment
quán tính trên trục động cơ:
Trên hình (1.6) chuyển động tịnh tiến của khối m tích lũy được một động
năng:
. .
Trang 16
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Ta có moment quán tính quy đổi tương ứng được suy từ định luật bảo toàn
năng lượng:
=
Suy ra:
Jqđ = m
2
(1.13)
Tổng quát, với hệ TĐĐ được biểu diễn như trên hình 1.6 thì toàn bộ các
moment quán tính, khối quán tính được quy đổi về trục động cơ sẽ tạo ra 1
moment quán tính của toàn bộ hệ thống:
Jqđ hệ thống = JĐ + + + + m
2
Trục1 Trục2 Trục3 Trục4
Phương trình động lực học viết trên trục động cơ (Trục 1) là:
MĐ Mqđ = Jqđ hệ thống .
Với Mqđ là moment tính từ khâu cuối cùng của hệ truyền động. (Đối với
ví dụ trên, moment quy đổi Mqđ được tính theo công thức (1.11))
a.2.
Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ.
Đặc tính cơ của máy sản xuất
+ Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mơmen cản của máy
sản xuất:
Mc = f( )
+ Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biếu
diễn dưới dạng biểu thức tổng qt:
Trong đó:
Mc mơmen ứng với tốc độ
Mco mơmen ứng với tốc độ = 0.
Mđm mômen ứng với tốc độ định mức
đm
. .
Trang 17
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Hình 1.7: Đặc tính cơ của một số MSX.
+ Ta có các trường hợp số mũ q ứng với các tải:
Khi q = 1, mơmen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu hình máy tiện,
doa, máy cuốn dây, cuốn giấy, ... (1) Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng
thấp thì mơmen cản (lực cản) càng lớn.
Khi q = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang
máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, ... (2)
Khi q = 1, mơmen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy bào,
máy phát một chiều tải thuần trở…(3)
Khi q = 2, mơmen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy
gió, máy nén,…(4)
* Ngồi ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như:
Mơmen phụ thuộc vào góc quay Mc = f( );hoặc mơmen phụ thuộc vào đường đi Mc
= f(s), các máy cơng tác có pittơng, các máy trục khơng có cáp cân bằng có đặc tính thuộc
loại này.
Mơmen phụ thuộc vào số vịng quay và đường đi Mc = f( ,s) như các loại xe điện.
Mơmen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) như máy nghiền đá, nghiền quặng.
Đặc tính cơ của động cơ điện
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mơmen của động cơ:
M = f( ) (1.3)
* Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ:
+ Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình thường,
khơng sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thơng số nguồn cũng như của động
cơ là định mức. Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên.
. .
Trang 18
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
+ Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được sự thay
đổi một trong các thơng 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. Độ cứng đặc tính cơ:
+ Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm “độ cứng đặc tính
cơ ” và được tính:
Nếu đặc tính cơ tuyến tính thì: = M/
Hoặc theo hệ đơn vị tương đối:
dM /d là lượng sai phân của mơmen M và
Hình 1.8: Độ cứng đặc tính cơ.
+ Động cơ khơng đồng bộ có độ cứng đặc tính cơ thay đổi giá trị ( > 0, < 0).
+ Động cơ đồng bộ có đặc tính cơ tuyệt đối cứng ( ).
+ Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng ( 40).
+ Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm ( 10).
a.3.
Câu hỏi bài 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 cơng 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. Mơmen cản hình thành từ đâu? Đơn vị đo lường của nó? Cơng thức quy đổi
mơmen cản từ trục của cơ cấu cơng tác về trục động cơ?
. .
Trang 19
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
5. Mơmen qn tính là gì? Đơn vị đo lường của nó? Cơng thức tính quy đổi mơmen
qn tính từ tốc độ ωi nào đó về tốc độ của trục động cơ ω ?
6. Thế nào là mơmen cản thế năng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị theo tốc
độ? Lấy ví dụ một cơ cấu có mơmen cản thế năng.
7. Thế nào là mơmen cản phản kháng? Lấy ví dụ một cơ cấu có mơmen cản phản
kháng.
8. Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất. Phương trình tổng qt của nó và giải
tích các đại lượng trong phương trình?
9. Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện; cần trục, máy bào, máy
bơm.
10. Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện có phần cơ dạng mẫu
cơ học đơn khối và giải thích các đại lượng trong phương trình?
11. Dùng phương trình chuyển động để phân tích các trạng thái làm việc của hệ
thống truyền động tương ứng với dấu của các đại lượng 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?
BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA
ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Mục tiêu
Xây dựng được đặc tính cơ của các động cơ điện một chiều (DC), động cơ điện
khơng đồng bộ, động cơ điện đồng bộ.
. .
Trang 20
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Phân tích được các trạng thái làm việc của các động cơ: một chiều, khơng đồng
bộ, đồng bộ.
So sánh đặc tính của các loại động cơ, phạm vi ứng dụng của các động cơ dùng
trong truyền động điện.
Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học.
Nội dung
1. Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm.
1.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song
1.1.1. Khái niệm chung
khi đặt hai đường đặc tính cơ M(ω) và Mc(ω) lên cùng một hệ trục tọa độ, ta có thể
xác định được trạng thái làm việc của động cơ và của hệ: trạng thái xác lập khi M = M c
ứng với giao điểm của hai đường đặc tính M(ω) và Mc(ω); hoặc trạng thái q độ khi M
≠ Mc tại những vùng có ω ≠ ωxl ; trạng thái động cơ thuộc góc phần tư thứ nhất và thứ
ba; hoặc trạng thái hãm thuộc góc phần tư thứ hai và thứ tư.
Khi phân tích các hệ truyền động, ta thường coi máy sản xuất đã cho trước, nghĩa là
coi như biết trước đặc tính cơ Mc(ω) của nó. Vậy muốn tìm kiếm một trạng thái làm
việc với những thơng số u cầu như tốc độ, mơmen, dịng điện động cơ v.v.. ta phải tạo
ra những đặc tính cơ của động cơ tương ứng. Muốn vậy, ta phải ta phải nắm vững các
phương trình đặc tính cơ và các đặc tính cơ của các loại động cơ điện, từ đó hiểu được
các phương 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 được các trạng thái làm việc theo u cầu cơng nghệ.
Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu định mức của nó.
Trong nhiều trường hợp ta coi đặc tính này như loạt số liệu cho trước. Mặt khác nó có
thể có vơ số đặc tính cơ nhân tạo có được do biến đổi một hoặc vài thơng 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 thơng số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của
đặc tính cơ, đều được coi là thơng số điều khiển động cơ, và tương ứng là một phương
pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(ω) hay
dạng ngược ω = f(M).
. .
Trang 21
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
1.1.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập (ĐMđl) và kích từ song
song (ĐMss)
a. Sơ đồ nối dây cua ĐM
̉
đl va ĐM
̀ ss
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 cơng suất vơ cùng lớn và điện áp khơng đổi thì có thể mắc
kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ được gọi là động cơ điện một chiều
kích từ song song (ĐMss).
Hình 3.1: 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.
b. Cac thơng s
́
ố cơ ban cua ĐMđl Các thơng s
̉
̉
ố định mức:
nđm(vịng/phút); ωđm(Rad/sec); Mđm(N.m hay KG.m); Φđm(Wb); Pđm(KW);
Uđm(V); Iđm(A); ... Các thơng 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%; ...
c. Phương trinh đăc tinh c
̀
̣ ́ ơ, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch
phần ứng như sau:
Trong đó:
Uư là điện áp phần ứng động cơ (V)
E là sức điện động phần ứng động cơ (V)
. .
Trang 22
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Với: Từ thơng qua mỗi cực từ.
p Số đơi cực từ chính.
N Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng.
a Số mạch nhánh song song của cuộn ứng.
Trong đó: rư 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).
rtx là điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của động cơ (Ω).
Rưf là điện trở phụ mạch phần ứng
Iư là dịng điện phần ứng.
Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập (3.4).
Mặt khác, mơmen điện từ của động cơ được xác định:
Khi bỏ qua tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ, tổn thất thép thì có thể coi:
Thay giá trị Iư vào ta có:
Đây là phương trinh đăc tinh c
̀
̣ ́ ơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Có
thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác:
. .
Trang 23
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Từ các phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ trên, với giả thiết
phần ứng được bù đủ và = const thì ta có thể vẽ được các đăc tinh c
̣ ́ ơ điên và đăc tinh
̣
̣ ́
cơ là những đường thẳng.
Hình 3.2: a) Đặc tính cơ – điện động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
b) Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Đăc tinh c
̣ ́ ơ tự nhiên (TN) là đặc tính cơ có các tham số định mức và khơng có điện
trở phụ trong mạch phần ứng động cơ:
Đăc tinh c
̣ ́ ơ nhân tao (NT) là đ
̣
ặc 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:
Trong đó: Inm: gọi là dịng điện (phần ứng) ngắn mạch
Mnm : gọi là mơmen ngắn mạch
. .
Trang 24
Giáo trình truyền động điện Tr ường TC KTKT
Q12
Ta xác định được đơ c
̣ ứng đăc tinh c
̣ ́ ơ:
Đối với đặc tính cơ tự nhiên:
Nếu chưa có giá trị Rư thì ta có thể xác định gần đúng dựa vào giả thiết coi tổn thất
trên điện trở phần ứng do dịng điện định mức gây ra bằng một nửa tổn thất trong động
cơ :
Ví dụ: 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, cơng suất định mức là 6,6KW;
điện áp định mức: 220V, Iđm = 35 A; tốc độ định mức: 2200vịng/phút; điện trở mạch
phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26Ω; điện trở phụ đưa vào
mạch phần ứng: 1,26Ω.
Giải:
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 khơng tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]. Hoặc điểm khơng
tải lý tưởng [M = 0; ω = ω 0] và điểm ngắn mạch [Mnm; ω = 0]. Hoặc điểm định mức
[Mđm; ωđm] và điểm ngắn mạch [Mnm; ω = 0].
Tốc độ góc định mức:
Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm là điểm định mức:
[28,6; 230,3]. Từ phương trình đặc tính cơ – điện tự nhiên ta tính được:
. .
Trang 25
