Đang tải... (xem toàn văn)
điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích tụ độc lập 7745
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1. khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, trong giao thông vận tải…. 2.1. Phương trình đặc tính cơ: Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để từ đó đưa ra phương pháp đ iều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì dòng kích từ độc lập với dòng phần ứng. Vì được nuôi bởi hai nguồn một chiều độc lập với nhau. E u I u U u R f I kt U kt R kt C kt Hình 1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng U ư =E ư + ( R ư + R f )I ư (1) Trong đó: U ư : Điện áp đặt lên phần ứng động cơ (V). E ư : Sức điện động phần ứng (V) R ư : Điện trở của mạch phần ứng ( Ω ) R f : Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ) I ư : Dòng điện mạch phần ứng ( Α ) Với R ư = r ư + r cf +r b + r ct Trong đó : r ư điện trở cuộn dây phần ứng ( Ω ) r cf : Điện trở cuộn cực từ phụ ( Ω ) r b : Điện trở cuộn bù ( Ω ) r ct : Điện trở tiép xúc chổi điện ( Ω ) • Sức điện động E ư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thưc sau Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 2 E ư = a PN π 2 φω = κ φ ω (2) trong đó : p : Số đôi cực từ chính N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng φ : Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ (wb) 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) thì E ư = e k φ n ( 3) ω = 60 2 n π = 55,9 n vì vậy E ư = a PN 60 n φ với k e = a PN 60 : Hệ số sức điện động của động cơ k e = 55,9 k ≈ 0,105 k Thay (1) vào (2) và biến đổi ta được ω = u U K φ - () + uf K RR φ I ư (4) Biểu thức (4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.Mặt khác, mômen điện từ M đt = u kI φ (5) Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép thì mômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là M đt = M cơ =M Vậy phương trình đặc tính cơ của động cơ là ω = u k U φ - 2 )( φ k RR fu + M (6) Biểu thức (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Nếu không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ thông φ của động cơ tức là xem φ=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính. Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 3 ω 0 ω dm ω Δ IM dmdm, IM nmnm , IM , 0 ω Hình 2 đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đồ thị ta có : khi I ư = 0 hoặc M =0 ta có ω = φ k U =ω 0 (7) ω 0 : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ , khi ω=ω 0 ta có I ư = RR fu U + =I nm (8) Và M =k φ I nm =M nm (9) I nm , M nm : được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác phương thình đặc tính (4) và (6) cũng có thể viết dưới dạng ω = φ k U u - φ k R I ư =ω 0 - ω Δ (10) ω = φ K U u - )( 2 φ k R M = ω 0 - ω Δ (11) vì I ư = φ K M ta suy ra từ (5) trong đó R = R ư + R f , ω 0 = φ K U u Δω= φ K R I ư = )( 2 φ k R M (12) Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 4 Δω : được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M (hay I) , ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối với điều kiện từ thông là định mức ( φ = φ dm ) Trong đó ω*= 0 ω ω , I* = dm I I ,M ∗ = dm M M , R* = R cb R ( R cb =U đm / I đm được gọi là điện trở cơ bản ) Từ (4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối ω*=1- R*I* (13) ω ∗ = 1- R*M ∗ (14) • Độ cứng của đặc tính cơ : β= ω d dM = R k nm ∑ ) 2 ( φ (15) • Công suất (năng lượng điện) Từ phương trình lý tưởng : IU =(E ư +IR ư )I (16) Ta có P điện =P đt + ΔΡ Trong đó P đt =IE ư công suất điện từ Δ P =I 2 R ư tổn hao công suất cơ trên điện trở phần ứng Thực tế P điện =P đt + ΔP ư + ΔP 0 (17) Với ΔP 0 tổn hao ma sát do sự quay Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy ω là một hàm phụ thuộc R, φ , U : 〈ω=f(R,Φ,U)® do đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba phương pháp điều khiển sau : - Điều khiển điện trở phụ phần ứng - Điều khiển từ thông kích từ - Điều khiển điện áp phần ứng Sau đây ta xem xét từng ph ương pháp điều khiển một 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1 Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng (R f ): •Nguyên lý điều chỉnh: Nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω= f〈 R f , φ kt , U ®, giả thiết rằng : Nếu giữ φ=φ đm =const ; U= U đm = const; R ư =const thì ω=f(R f ) Muốn thay đổi được giá trị R f của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một điện trở phụ (R f ) thay đổi được giá trị vào mạch phần ứng. Lúc này ta có : R = R ư + R f Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 5 Từ phương trình đặc tính cơ : ω= φ dm dm K U - ) ( 2 φ K RR dm fu + M Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trị của R f thì tốc độ của động cơ giảm, khi giảm giá trị của R f thì tốc độ của động cơ tăng . Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng: ω 0 = φ dm dm K U = const (18) Còn độ cứng của đặc tính cơ : β = RR K fu dm + ) 2 ( φ = var (19) Như vậy khi thay đổi R f cho ta một họ đặc tính như sau: ω 0 ω M dm M dm 2 0= R f R f 1 R f 2 R f 3 0 M Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những điện trở phụ khác nhau • Nhận xét: Nếu R f càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời I nm và M nm cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởi động. - Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện - Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp + Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn + Phạm vi điều chỉnh hẹp 2.2. Phương pháp điều chỉnh bằ ng từ thông kích từ: • Nguyên lý điều chỉnh: Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M = kφI ư và sức điện động quay của động cơ E ư =kφω Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 6 I kt U kt E U I C kt Hình 1-4 :Sơ đồ nối dây điều chỉnh kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Từ biểu thức (4) và (6) ta thấy ω= f(U, φ kt , R f ), nếu giữ U=U đm =const và điện trở phần ứng R ư = const (R f =0 ) lúc này ω= f(φ kt ). Để thay đổi được tốc độ ω ta cần thay đổi φ kt , mà từ thông kích từ do dòng kích từ sinh ra. Vậy để điều chỉnh φ kt ta mắc thêm biến trở R v vào mạch kích từ, khi điều chỉnh φ kt ta phải tuân theo điều kiện sau. Không thể tăng dòng kích từ I kt lớn hơn dòng định mức của cuộn dây kích từ vì nó phá hỏng cuộn kích từ và khi φ kt = φ đm đã bảo hồ rồi, nếu muốn tăng I kt thì φ kt cũng không tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm φ kt . • Trong trường hợp này ta có: - Tốc độ không tải lý tưởng ω 0 = φ x dm K U = var - Độ cứng của đặc tính cơ β = R u X K 2 )( φ = var Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ω x tăng, còn β sẽ giảm. Ta có đồ thị đặc tính cơ với ω x tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 7 ω I ω ω 0 ω 1 ω 2 φ dm φ 1 φ 2 Ι nm Ι dm 0 ω 2 ω 1 ω 0 φ 2 φ 1 φ dm 0 Μ dm Μ 2nm Μ 1nm Μ nm Μ Hình 1-5 : Đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông. Từ đồ thị ta nhận thấy khi từ thông thay đổi vơi φ đm > φ 1 >φ 2 ta có: - Dòng điện ngắn mạch : I nm = R U u dm =const - Mô men ngắn mạch : M nm =kφ x I nm =var (M nm > M nm1 >M nm2 ) Từ đồ thị đặc tính ta thấy ω 0 <ω 1 <ω 2 . Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông là phương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản. • Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông φ kt - Tốc độ không tải lý tưởng ω x = φ x dm K U tăng - Độ cứng đặc tính cơ β = R u x K 2 )( φ giảm - Dải điều chỉnh không rộng D = max min ω ω = 1:2 + Tốc độ nhỏ nhất bị chặn bởi đặc tính tự nhiên (φ=φ đm ) + Tốc độ lớn nhất ω max bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch của động cơ - Ưu điểm : Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thâùt năng lượng nhỏ - Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và cộng nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên. 2.3. Phương pháp điều khiển động cơ điện mợt chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp phần ứng: Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 8 Từ phương trình đặc tính cơ (6) ω = φ K U u - )( 2 φ k RR fu + M Giả thiết φ = φ đm =const; R ư =const,(R f =0), M = const. Lúc này ω = f(U ư ) Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có: - Tốc độ không tải lý tưởng ω 0 = φ K U u = var - Độ cứng của đặc tính cơ β = R k u )( 2 φ = const Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau. ω ω 0 ω 1 ω 2 ω 3 ω i 0 IM , IM dmdm , TN U dm U 1 U 2 U 3 U i Với U đm >U 1 >U 2 >U 3 >……….>U i Hình 1-6 : Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính tự nhiên. • Nhận xét : - Ưu điểm : + không gây ồn + không gây tổn hao phụ trong động cơ + dả i điều chỉnh rộng D ≈10 : 1 +độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh + dễ tự động hố - Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 9 + điều khiển phức tạp • Kết luận : Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương pháp này càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lĩnh vực khác. 2.4. Nuyên lý điều chỉnh: • Đặc tính điều chỉnh : Để điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng một b ộ biến đổi, điều chỉnh được điện áp đầu ra cấp cho mach phần ứng của động cơ. U U dk C kt var= U ra + − BBÑ ∼ E Hình 1-7 : Sơ đồ ngyên lý điều chỉnh động cơ Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều và điều chỉnh được giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điện trở trong của bộ biến đổi R bđ phụ thuộc vào loại thiết bị, vì thông thường công suất của bộ bến đổi và động cơ xấp xỉ bằng nhau nên R bđ cũng có giá trị đáng kể so với R ư của động cơ. Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế E bd E u R bd R ud U Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp. E ư = U bđ – (R bđ + R ư )I ư (20) Sức điện động của động cơ E ư = kφ đm ω (21) Từ biểu thức (20) và (21) ta có kφ đm ω = U bđ – ( R bđ + R ư )I ư (22) Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 10 Từ phương trình (22) ta có phương trình đặc tính cơ điện. ω = φ dm bd K U - φ dm ubd K RR + I ư (23) Phương trình đặc tính cơ ω = φ dm bd K U - )( 2 φ dm K RR ubd + M (24) Với M =kφ đm I ư Trong đó φ đm là từ thông định mức của động cơ, φ đm = const. Tốc độ không tải lý tưởng ω 0 = φ dm bd U Độ cứng của đặc tính cơ β = RR k ubd dm + )( 2 φ Ta thấy tốc độ không tải lý tưởng không phụ thuộc vào M, I mà phụ thuộc vào U bđ . U bđ = k a U đk Trong đó : k a là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi U đk là điện áp điều khiển Từ đó suy ra : ω 0 = φ dm dka K Uk = f(U đk ) Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thị đặc tính được biểu diễn như sau. ω U dk 2 U dk 1 U dk 3 U dk 4 ω 01 ω 02 ω 03 ω 04 0 M,I ÑTTN Hình 1-9 : Đồ thị đặc tính cơ điện khi U bđ thay đổi [...]... Ta có đặc tính cơ của động cơ khi đảo chiều quay : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 21 Đồ án tốt nghiệp ω ω ω0 M 0 -ω0 ω Hình1-19 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều quay 4.4.2 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu đảo chiều quay: Các bộ chỉnh lưu đảo chiều quay là các bộ chỉnh lưu dùng cho các động cơ điện một chiều có đảo chiều quay vì hệ truyền động T – Đ đảo chiều có yêu... tải là động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất Pđm = 6 (kw) không đòi hỏi cao về chất lượng điện áp đặt vào động cơ Cho nên để điều khiển dễ dàng và hiệu quả kinh tế cũng như chi phí cho thiết bị điều khiển hợp lý thì em chọn sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cho đề tài nghiên cứu của em 4.4 CHỈNH LƯU ĐẢO CHIỀU QUAY 4.4.1 Khái quát chung: Chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chiều của... Hệ truyền động điều chỉnh xung áp – động cơ: Bộ biến đổi xung áp là bộ nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, phần chủ yếu của nó là bộ nguồn áp và bộ khố điều khiển Sơ đồ nguyên lý và điện áp : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 13 Đồ án tốt nghiệp U k + d I + D U KT E 0 - - t 0 t 1 t 1 2 t t 2 3 t t 4 t 5 T Hình 1-12 : Sơ đồ nguyên lý và điện áp của hệ xung áp – động cơ Để cải... Rưf : Điện trở phần ứng của máy phát Rưđ : Điện trở phần ứng của động cơ - Tốc độ không tải lý tưởng : ω0 = kU kφ f d - kf = var = f(Uđk) d Độ cứng đặc tính cơ: β= (k d φ d ) R +R uf 2 = const ud Những biểu thức trên chứng toả rằng khi thay đổi dòng điện kích từ của máy thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống, còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ nguyên, do đó đặc tính cơ điều chỉnh là một họ... sau: + Bộ biến đổi máy phát điện một chiều + Bộ biến đổi xung áp một chiều + Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển - Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau: + Hệ máy phát – động cơ ( F – Đ ) + Hệ điều chỉnh xung áp – động cơ ( XA – Đ ) + Hệ chỉnh lưu Tiristo – động cơ ( T – Đ ) 3.1 Hệ thống máy phát - động cơ ( F – Đ ): - Sơ đồ nguyên lý: U∼ + F ÑCSC KT F R + Ñ F - KT... phương pháp điều khiển nêu trên thì phương pháp điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả Cho nên em chọn phương pháp làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em 3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG - Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sư dụng ba loại bộ biến đổi sau: + Bộ biến đổi máy phát điện một chiều + Bộ biến... động cơ là : Ud = t 1 1 t ∫ Udt = Τ1 U =γU Τ 0 Trong đó: t1 là thời gian khố k đóng γ = t1 là độ rộng của xung áp Τ Như vậy, có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục, có điện áp ra Ud = var bằng cách thay đổi độ rộng của xung áp γ Vì thời gian một chu kỳ đóng cắt khố k rất nhỏ so vơi hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động nên ta có thể coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ. .. khi điều khiển bộ này sang bộ kia do đó dòng điện động cơ bằng không, mạch điều khiển phức tạp hơn b Phương pháp điều khiển chung: • Nguyên lý : Xung điều khiển được cấp đồng thời cho cả hai bộ chỉnh lưu nhưng phải đảm bảo một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia làm việc ở chế độ nghịch lưu và điện áp chỉnh lưu trung bình của của hai bộ chỉnh lưu là như nhau Do vậy, với các cuộn dây động cơ có... phương pháp đổi chiều quay động cơ bằng cách đổi chiều dòng kích từ không được sử dụng vì cuộn kích từ có nhiều vòng dây do đó hệ số tự cảm Lt rất lớn và việc thay đổi chiều dòng điện kích từ dẫn đến sự xuất hiện sức điện động tự cảm rất cao, gây quá điện áp đánh thủng cách điện của dây quấn kích thích Ngồi ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số không có thể làm tốc dộ tăng... mạch điều khiển cũng như các phương pháp điều khiển đã nói ở phần trước thì em chọn mạch động lực là chỉnh lưu tia ba pha mắc song song ngược cực tính và đảo chiều quay động cơ dùng phương pháp điều khiển chung làm sơ đồ nghiên cứu cho đề tài mà em thiết kế Sơ đồ dược mô tả như sau: B A T4 a b C c T 1 T5 T2 T6 T3 CK cb2 Ñ CK cb1 Hình 1-21: Sơ đồ nguyên lý điều khiển đảo chiều quay động cơ một chiều kích . QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1. khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong. Phương trình đặc tính cơ: Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để từ đó đưa. đưa ra phương pháp đ iều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì dòng kích từ độc lập với dòng phần ứng. Vì được nuôi bởi hai nguồn một chiều độc lập với nhau. E u I u U u R f I kt U kt R kt C kt