TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Bộ môn TĐH, Khoa Điện. Trang 1 PHẦN 1: HÖ TRUYÒN §éNG §IÖN §éNG C¥ MéT CHIÒU Cã §¶O CHIÒU A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT 1. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Truyền động cho một máy, một dây chuyền sản xuất mà dùng năng lượng điện thì gọi là truyền động điện (TĐĐ). Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, cơ, thủy lực phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất, đồng thời có thể điều khiển dòng năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất. 2. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU a. Đặc điểm chung Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lưọng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. b. Phương trình đặc tính cơ Phương trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω = f(M) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: M K RR K U p 2 )( − − φ φ ω + −= Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác: ω = ω 0 - ∆ω Trong đó: ω φ 0 = U K − gọi là tốc độ không tải lý tưởng. M K RR p 2 )( − φ ω + =∆ gọi là độ sụt tốc độ Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng với độ dốc âm. Đường đặc tính cơ cắt trục tung 0ω tại điểm có tung độ: ω φ 0 = U K − . Tốc độ ω 0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi không có lực cản nào cả. Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp MC = 0. Khi phụ tải tăng dần từ M C = 0 đến M C = M đm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω 0 đến ω đm . Điểm A(M đm ,ω đm ) gọi là điểm định mức. TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Bộ môn TĐH, Khoa Điện. Trang 2 Rõ ràng đường đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ được từ 2 điểm ω 0 và A. Điểm cắt của đặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình đặc tính cơ: M = M nm = Kφ đm − R U dm = Kφ đm .I nm o M 0 ω ω A ω ®m M ®m M nm c. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có các phương pháp điều chỉnh tốc độ: - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rôto. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ. d. Đảo chiều động cơ Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều ngược lại. Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều ta có thể thực hiện một trong hai cách: - Hoặc đảo chiều từ thông (bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ). - Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng. I I + u E § KT§ kt R p R kt - u I E + KT§ § p R - R kt I kt Hình 1 - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ đi ệ n m ộ t chiều kích từ đ ộ c l ập Hình 2 - Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều từ thôn g ho ặ c khi đảo chiều d òn g đi ệ n p hần ứn g TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Bộ môn TĐH, Khoa Điện. Trang 3 Đối với động cơ công suất lớn ít đảo chiều ta có thể chọn phương pháp đảo chiều dòng điện kích từ. Đối với động cơ công suất nhỏ ít đảo chiều có thể dùng phương pháp đổi chiều dòng điện phần ứng bằng 2 bộ côngtắctơ thuận ngược khoá chéo. Đối với động cơ công suất vừa và lớn có tần số đảo chiều cao thường dùng hai bộ biến đổi nguồn đảo chiều dòng điện phần ứng. e. Hãm điện động cơ điện một chiều Hãm điện là trạng thái mà động cơ điện sinh ra mômen điện từ ngược với chiều quay của rôto. Động cơ điện một chiều có 3 trạng thái hãm chính: - Hãm tái sinh (Hãm có hoàn trả năng lượng về lưới). - Hãm ngược. - Hãm động năng. Đặc điểm chung của cả 3 trạng thái hãm điện là động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát, biến cơ năng mà hệ TĐĐ đang có qua động cơ thành điện năng để hoặc hoàn trả về lưới (hãm tái sinh) hoặc tiêu thụ thành dạng nhiệt trên điện trở hãm (hãm ngược, hãm động năng). Mômen để quay động cơ ở chế độ máy phát sẽ là mômen hãm đối với hệ TĐĐ. B. TÌM HIỂU BÀN THÍ NGHIỆM Bàn thí nghiệm có kết cấu gồm các phần sau: • Mạch nguồn động lực • Các panel thí nghiệm 514C, panel đo lường và điều khiển. • Thiết bị đo dòng điện, điện áp, tốc độ quay (vòng/phút), mômen, máy hiện sóng, đồng hồ vạn năng. • Động cơ DC và khối tạo tải: máy phát điện DC , hộp tải thuần trở. 1. Mạch động lực: a, Nguồn cung cấp: • Nguồn AC ba pha 380/220V có: Aptômát đóng cắt, cầu chì bảo vệ quá tải, nút dừng (cắt nguồn) khẩn cấp (EMG). • Chuyển mạch và Vôn kế kiểm tra điện áp dây, pha đầu vào, 3 Ampe kế đo dòng điện sơ cấp biến áp ba pha. • Máy biến áp hạ áp ba pha 380/220-87/50V cách ly. • Nguồn AC 220V. • Nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển. b. Mạch công suất chỉnh lưu: Bài thí nghiệm này chúng ta sử dụng thiết bị điều khiển động cơ điện một chiều 514C của hãng Eurother Drives. Đây là thiết bị điều khiển khá hoàn hảo, có thuật toán điều khiển PID, cũng như các biện pháp bảo vệ, tương thích trường điện từ EMC… Mạch động lực điều khiển động cơ điện một chiều có đảo chiều gồm hai mạch chỉnh lưu cầu một pha đối xứng có điều khiển (khóa chéo), nối ngược nhau như hình 3. Mạch chỉnh lưu cầu TH1…TH4 cấp nguồn cho động cơ theo chiều thuận, và mạch chỉnh lưu cầu TH5…TH8 cấp nguồn cho động cơ theo chiều ngược. Điện áp ra định mức: 90VDC khi đầu vào là 110/120VAC, 180VDC khi đầu vào là 220/240VAC, 320VDC khi đầu vào 380/415VAC. Dòng điện cực đại là 8A. TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Bộ môn TĐH, Khoa Điện. Trang 4 Điện áp xoay chiều từ 110- 480V (AC) được đưa vào điểm giữa của các chỉnh lưu cầu. Khi có tín hiệu điều khiển động cơ theo chiều thuận, ứng với nửa chu kỳ dương của nguồn AC, khi có tải, TH1 và TH4 mở, nửa chu kỳ sau thì TH2 và TH3 mở và cứ tiếp tục như thế làm cho điện áp trên động cơ phân cực thuận. Nguồn ngược bị khóa. Động cơ quay theo chiều thuận. Khi có tín hiệu điều khiển động cơ theo chiều ngược, ứng với nửa chu kỳ dương của nguồn AC, khi có tải, TH5 và TH8 mở, nửa chu kỳ sau thì TH6 và TH7 mở và cứ tiếp tục như thế làm cho điện áp trên động cơ phân cực ngược. Nguồn thuận bị khóa. Động cơ quay theo chiều ngược. Shunt 20A-75mV để nối với đồng hồ A đo dòng điện phần ứng, điện áp đặt vào phần ứng được đo bằng đồng hồ V , Tốc độ quay rôto và mômen quay được đo bằng các đồng hồ tương ứng phía trên giá panel thí nghiệm. Điện trở RH là điện trở hãm động năng khi động cơ cắt nguồn đầu vào AC của bộ điều khiển. Mạch điều khiển, tầng công suất được nối với nguồn AC và tín hiệu điều khiển thông qua phích cắm 14 chân. 2. Mạch điều khiển Sơ đồ khối mạch điều khiển chỉnh lưu đảo chiều động cơ DC trên hình 4. Như trên đã đề cập mạch điều khiển sử dụng thiết bị điều khiển 514C/8. Bộ điều khiển 514C được dùng cho môi trường công nghiệp, nó cần được gắn trong hộp kín để bảo vệ bộ điều khiển và người sử dụng. Bộ điều khiển cần được nối đất cố định. Bộ điều khiển 514C được thiết kế để điều khiển tốc độ động cơ DC kích từ song song hoặc nam châm vĩnh cửu. Nó sẽ đảm bảo điều khiển tốc độ động cơ ở cả 4 góc 1/4 trong quá trình hoạt động. Bộ điều khiển 514C được thiết kế để làm việc với nguồn cung cấp chính 1pha AC trong dải 110/220VAC tần số 50 hoặc 60Hz. Cần đến nguồn phụ như máy phát và công tắc tơ nguồn chính Tốc độ động cơ DC được điều chỉnh trong hệ vòng lặp kín tuyến tính lấy tín hiệu phản hồi từ máy phát tốc hoặc điện áp phần ứng, nguồn phản hồi có thể chọn bằng chuyển mạch. -+ u AC u DC H ×nh 3 - S¬ ®å nguyªn lý m¹ch c«ng suÊt chØnh l−u cÇu mét pha ®¶o chiÒu TI LIU TH NGHIM TRUYN NG IN B mụn TH, Khoa in. Trang 5 Mt mch lp in ỏp kốm theo vũng lp tc cng khng nh rng cỏc mc iu khin dũng in c ỏp dng trong ng c, cỏc mc hin ti cú th chia nh thụng qua cỏc chuyn mch lp trỡnh c. ng c c bo v bng mt mch in phỏt hin khng ch lm vic cú th ct mch iu khin ra khi ng c trong vũng 60s. B iu khin c bo v bng mt b iu khin ngt mach nu xy ra quỏ dũng tc thi khi ngn mch em g on off aptomat f 1 f 2 f 3 l 1 l 2 l 3 220V 220V 220V a cm v 220v ac aa khối điều khiển tải hộp tải máy phát Khối đóng cắt đầu ra so 4000 - 1a - vso 1008 - 1b - v khối công suất khối mạch logic đảo chiều và hãm tái sinh so 1002 - 1b - vso 6000 - 1a - v khối ổn định tốc độ và bảo vệ khối tạo tín hiệu điều khiển và điều chỉnh tốc độ so 1005 - 1b - v Va so 5001 - 1a - v đo tốc độ so 5001 - 1c - v đo momen SO 7008 -3a - V SO 7009 -3C - V SO 7009 -3D - V SO 2005 - 1a - V SO 8000 - 1A -V SO 3009 - 1B - V tốc độ mô men khối đặt tốc độ khối điều chỉnh tốc độ khối điềuchỉnh dòng điện đặt "pid" theo tốc độ đặt "pid" theo dòng điện khối logic đảo chiều khối so sánh và tạo xung điều khiển khối logic thuận khối logic nghịch khối tacho khối khuyếch đại cách ly"n" khối khuyếch đại cách ly "t" khối đồng bộ khối điện áp kích từ khối tín hiệu dòng tải pi ip tỷ lệ dấu +/- tacho so 1005 - 1b - v H ình 4 - Sơ đồ khối mạch điều khiển chỉnh lu đảo chiều Hỡnh 5 - S bn thớ nghim TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Bộ môn TĐH, Khoa Điện. Trang 6 C. THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG ĐẢO CHIỀU I. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU - Giúp người học làm quen với cách điều khiển truyền động điện một chiều. Trên cơ sở thực nghiệm củng cố phần lý thuyết đã học và tiếp tục phát triển các ứng dụng cơ bản. - Sinh viên cần nắm chắc lý thuyết cơ sở, hiểu rõ mục đích thí nghiệm, nắm vững cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền động điện. Vẽ các đường đặc tính cơ lý thuyết và thực nghiệm. - Lập bảng dữ liệu, làm báo cáo, phân tích kết quả thí nghiệm, rút ra các kết luận chính. II. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM: TN xây dựng đặc tính cơ của động cơ DC CHÚ Ý: Khi chưa được phép của giáo viên hướng dẫn, tất cả các áptômát, công tắc nguồn đặt ở vị trí tắt (OFF). a. CHUẨN BỊ 1- Các áptômát và công tắc nguồn ở vị trị tẳt (OFF). 2- Tìm hiểu sơ đồ khối mạch công suất chỉnh lưu cầu một pha trên Panel. 3- Chuẩn bị dụng cụ đo: Đồng hồ vạn năng, dây đo. 4- Nối cáp 14 chân từ khối nguồn sang khối mạch bảo vệ. 5- Nối cáp 14 chân từ khối mạch bảo vệ sang khối đảo chiều và từ khối đảo chiều sang khối điều khiển và từ khối điều khiển sang khối công suất và cáp từ khối công suất sang khối động cơ 1 chiều. 6- Nối đồng hồ V (chú ý cực +,-) trên giá Panel để đo điện áp và nối tải thuần trở R vào cực + và - của khối chỉnh lưu. 7- Nối cực đồng hồ A trên giá Panel để đo dòng điện tải. 8- Nối hộp tải vào cực nguồn của máy phát DC. Chuyển mạch tải ở vị trí tắt. 9- Đặt chiết áp điều chỉnh tốc độ trên Panel mạch điều khiển về vị trí tận cùng bên trái. 10- Trên Panel đảo chiều đặt núm đảo chiều về chiều thuận. 11- Bật công tắc phản hồi ở trạng thái đóng. 12- Báo cáo giáo viên hướng dẫn về công tác chuẩn bị. Khi được phép mới tiếp tục các bước sau. b. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 1. Xây dựng đặc tính cơ khi không có phản hồi tốc độ và phản hồi dòng điện 1- Cấp nguồn cho mạch điều khiển và mạch công suất Thyristor chỉnh lưu. 2- Bật công tắc hồi tiếp tốc độ và hồi tiếp dòng điện về vị trí OFF. 3- Từ từ xoay chiết áp điều chỉnh tốc độ trên Panel khối điều chỉnh sang phải và dừng ở vị trí 2/3 dải điều chỉnh. 4- Quay chiết áp tải sang vị trí 1 (min), 2, 3, 4, 5 (max). 5- Mỗi lần thay đổi tải, đọc một bộ gồm các giá trị điện áp và dòng điện phần ứng trên V và A và chỉ số mômen, tốc độ quay rôto trên các đồng hồ tương ứng, ghi vào bảng sau: TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Bộ môn TĐH, Khoa Điện. Trang 7 Mức tải U (V) I (A) n (v/ph) M (Nm) 0 1 2 3 4 5 6- Cắt tải máy phát. Tắt các công tắc nguồn, dừng thí nghiệm. 7- - Vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên theo tính toán lý thuyết. Số liệu của động cơ: U đm = V, I đm = A, P đm = W, n đm = v/ph. 8- Vẽ quan hệ đặc tính cơ của động cơ n = f(M) trong trường hợp không có phản hồi tốc độ, dòng điện trên cùng một đồ thị với đặc tính cơ theo lý thuyết. *TRẢ LỜI CÂU HỎI: Nhận xét về kết quả thí nghiệm? n (v/ph) M (Nm) . đảo chiều quay của động cơ điện một chiều ta có thể thực hiện một trong hai cách: - Hoặc đảo chiều từ thông (bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ). - Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng. I I + u. và lớn có tần số đảo chiều cao thường dùng hai bộ biến đổi nguồn đảo chiều dòng điện phần ứng. e. Hãm điện động cơ điện một chiều Hãm điện là trạng thái mà động cơ điện sinh ra mômen điện từ. tốc độ so 1005 - 1b - v Va so 5001 - 1a - v đo tốc độ so 5001 - 1c - v đo momen SO 7008 -3 a - V SO 7009 -3 C - V SO 7009 -3 D - V SO 2005 - 1a - V SO 8000 - 1A -V SO 3009 - 1B - V tốc độ mô