Đồ án Điều khiển tốc độ động cơ dùng bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần

quả trên người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù . Từ trường của cực từ phụ dây quấn bù ngược với từ trường phần ứng . Để kịp hời khắc phục từ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đấu nói tiếp với mạch phần ứng . Sức điện động phần ứng Sức điện động thanh dẫn . Khi quay rôto các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường , mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là : e = Btblv (1.6 ) trong đó : Btb cường độ từ cảm trung bình dưới cực từ v tốc độ dài của thanh dẫn l chiều dài hiệu dụng thanh dẫn Sức điện động phần ứng Eư . Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín . Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song . Sức điện động phần ứng bằng tổng sức điện động thanh dẫn trong một nhánh . Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N , số nhánh song song là 2a (a là số đôi nhánh ), số thanh dẫn một nhánh là N/2a , sức điện động phần ứng là : Eư = e = Btblv (1.7 ) Tốc độ dài v xác định theo tốc độ quay n (v/ph) bằng công thức : v = ( 1.8) thay (2) vào (1) và chú ý rằng , từ thông dưới mỗi cực từ là : = Btb (1.9 ) Cuối cùng ta có : Eư = n (1.10 ) Hoặc : Eư = kEn (1.11 ) Trong đó p : số đôi cực Hệ số kE = phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng . Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thông dưới mỗi cực từ . Muốn thay đổi trị số sức điện động , ta có thể điều chỉnh tốc độ quay , hoặc điều chỉnh từ thông , bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn thay đổi chiều sức điện động ta thay đổi chiều quay , hoặc đổi chiều dòng điện kích từ. 1.2.4 Công suất điện từ . Mômen điện từ của máy điện một chiều Công suất điện từ của máy điện một chiều: Pđt= EưIư (1.12 ) Thay giá trị Eư trong ( ) vào ( ) , ta có : Pđt = nIư (1.13 ) Mômen điện từ là : Mđt= ( 1.14 ) là tần số góc quay của rôto , được tính theo tốc độ quay n (v/ph) bằng biểu thức : = ( 1.15 ) Thay ( ) vào( ) , cuối cùng ta có biểu thứ của mômen điện từ là : Mđt = Iư (1.16 ) Hoặc : Mđt = kMIư ( 1.17 ) Trong đó hệ số kM = phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn . Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông . Muốn thay đổi mômen điện từ , ta phải thay đổi dòng điện phần ứng Iư hoặc thay đổi dòng điện kích từ Ikt .Muốn đổi chiều mômen điện từ phải đổi chiều hoặc dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kích từ . 1.2.5 Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục Khi máy điện làm việc , quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa giữa chổi điện và cổ góp . Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp ,phá hỏng chổi điện vá cổ góp, gây tổn hao năng lượng , ảnh hưởng xấu đến môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử . Sự phát sinh tia lửa trên cổ góp do các nguyên nhân sau : Nguyên nhân cơ khí : Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt , do cổ góp không tròn , không nhẵn ,chổi than không đủ đúng qui cách, rung động của chổi than do cố định không tốt hoặc lực lò xo không đủ để tỳ sát chổi than vào cổ góp . Nguyên nhân điện từ Khi rôto quay liên tiếp có phần tử chuyển từ mạch nhánh này sang mạch nhánh khác . Ta gọi các phần tử ấy là phần tử đổi chiều . Trong phần tử đổi chiều xuất hiện các sức điện động sau : Sức điện động tự cảm eL, do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều . Sức điện động hỗ cảm em,, do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận. Sức điện động eq, do từ trường của phần ứng sinh ra. Ở thời điểm chổi điện gắn mạch phần tử đổi chiều , các sức điện động trên sinh ra dòng điện I chạy quẩn trong phần tử ấy , tích lũy năng lượng và phóng ra dưới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động . Để khắc phục tia lửa , ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm trị số các sức điện động trên và dùng cực từ phụ và dùng dây quấn bù để tạo nên trong các phần tử nhằm bù ( triệt tiêu ) tổng 3 sức điện động el, em, eq. Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ trường phần ứng. Đối vối máy công suất nhỏ , người ta không dùng cực từ phụ mà đôi khi chuyển chổi than đến trung tính vật lý. 1.2.6 Phân loại máy điện một chiều Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ , người ta chia máy điện một chiều ra các loại sau : Máy điện một chiều kích từ độc lập. Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy. H 1.9 : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Dòng điện phần ứng Iư bằng dòng điện tải I. Phương trình dòng điện là : Iư = I ( 1.18 ) Phương trình cân bằng điện áp là: U = Eư – RưI ( 1.19 ) Mạch kích từ : Ukt = Ikt(Rkt + Rđc) ( 1.20 ) Trong đó : Rư là điện trở dây quấn phần ứng . Rkt là điện trở dây quấn kích từ Rđc là điện trở điều chỉnh Khi dòng điện tải I tăng , dòng điện phần ứng tăng , điện áp U giảm xuống do hai nguyên nhân sau : Tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông giảm , kéo theo sức điện động Eư giảm . Điện áp rơi trong mạch phần ứng RưIư tăng. Máy phát kích từ độc lập có ưu điểm về hiệu chỉnh điện áp , thường gặp trong các hệ thống máy phát - động cơ để truyền động máy cán , máy cắt kim loại , thiết bị tự động trên tàu thủy , máy bay … song có nhược điểm là cần có nguồn điện kích từ riêng. Máy điện một chiều kích từ song song . Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng. Để thành lập điện áp cần thực hiện một quá trình tự kích từ . Lúc đầu , máy không có dòng điện kích từ , từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra , bằng khoảng 2÷ 3% từ thông định mức . Khi quay phần ứng , trong dây quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng do từ thông dư sinh ra . Sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ ( điện trở mạch kích từ ở vị trí nhỏ nhất ), sinh ra dòng điện kích từ , làm tăng trường cho máy . Quá trình tiếp tục cho đến khi điện áp ổn định . Để máy có thể thành lập điện áp , cần thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấn kích từ phải cùng chiều từ trường dư . Nếu không còn từ dư , ta phải mồi để tạo từ dư , nếu chiều hai từ trường ngược nhau , ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng . Phương trình cân bằng điện áp là : Mạch phần ứng : U = Eư – RưIư (1.21 ) Mạch kích từ : U = Ikt (Rkt + Rđc) ( 1.22 ) Phương trình dòng điện : Iư = I + Ikt ( 1.23 ) Khi dòng điện tải tăng , dòng điện phần ứng tăng , ngoài hai nguyên nhân làm điện áp U đầu cực giảm , như máy phát điện kích từ độc lập , ở máy kích từ song song , còn thêm một nguyên nhân nữa là khi U giảm , làm cho dòng điện kích từ giảm , từ thông và sức điện động càng giảm , chính vì thế đường đặc tính ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập . Từ dương đặc tính ta thấy , khi ngắn mạch , điện áp U = 0, dòng kích từ bằng không , sức điện động trong máy chỉ do từ dư sinh ra vì thế dòng điện ngắn mạch In nhỏ hơn dòng điện định mức . Để điều chỉnh điện áp ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính điều khiển Ikt = f(I), khi U, n không đổi . H 1.10: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG Máy điện một chiều kích từ nối tiếp . Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng . Dòng điện kích từ là dòng điện tải , do đó khi tải thay đổi , điện áp thay đổi rất nhiều , trong thực tế không sử dụng máy kích từ nối tiếp . Dạng đường đặc tính ngoài được giải thích như sau : Khi tải tăng , dòng điện Iư tăng , từ thông và Eư tăng , do đó U tăng , khi I = (2 + 2,5)Iđm, máy bão hòa thì I tăng Ugiảm . H 1.11:MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp. Gồm 2 dây quấn kích từ : dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp , trong đó dây quấn kích từ song song thường là chủ yếu. Khi nối thuận , từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song , khi tải tăng , từ thông cuộn nối tiếp tăng làm cho từ thông của máy tăng lên , sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy được giữ hầu như không đổi . Đây là ưu điểm rất lớn của máy kích từ hỗn hợp . Khi nối ngược chiều từ trường của dây quấn kích từ nối tiếp ngược với từ trường của dây quấn kích từ song song , khi tải tăng , điện áp giảm rất nhiều . Đường đặc tính ngoài dốc nên được sử dụng làm máy hàn điện một chiều . H1.12 :MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP 1.2.7 Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào phương pháp kích từ , việc phân loại động cơ điện một chiều , giống như đã xét với máy điện một chiều . Sức điện động của động cơ điện một chiều là : Eư = n ( 1.24 ) Đối với động cơ dòng điện Iư ngược chiều với sức điện động , nên Eư còn gọi là sức phản điện . Mômen điện từ của động cơ tính theo công thức Mđt = Iư ( 1.25 ) Đối với động cơ , mômen điện từ là mômen quay , cùng chiều với tốc độ quay n. Động cơ điện kích từ song song Để mở máy ta dùng biến trở mở máy Rmở. Để điều chỉnh tốc độ , thường điều chỉnh Rđc để thay đổi Ikt, do đó thay đổi từ thông . Phương pháp này sử dụng rất rông rãi , song cần chú ý , khi giảm từ thông, có thể dòng điện phần ứng Iư tăng quá trị số cho phép , vì thế cần có bộ phận bảo vệ , cắt điện không cho động cơ làm việc khi từ thông giảm quá nhiều . Đường đặc tính cơ n = f(M) . Đường đặc tính cơ là đường quan hệ giữa tốc độ n và mômen quay M khi điện áp U và điện trở mạch phần ứng và mạch kích từ không đổi . n = - M ( 1.26 ) Mặt khác từ biểu thức mômen điện từ M = kMIư , rút ra Iư = , thay vào biểu thức tốc độ ta có : n = -M (1.27) Nếu thêm điện trở Rp vào mạch phần ứng thì ta có phương trình: n = - M ( 1.28 ) b) Đặc tính làm việc . Đường đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và dòng điện kích từ không đổi . Đó là các quan hệ giữa tốc độ n , mômen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất theo công suất cơ trên trục P2. Ta có nhận xét , động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng ,và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ .v.v…Khi có yêu cầu cao về điều khiển tốc độ , ta dùng động cơ kích từ độc lập. Động cơ kích từ nối tiếp Để mở máy ta dùng biến trở mở máy Rmở . Chú ý rằng , khi điều chỉnh từ thông , ta mắc biến trở song song với dây quấn kích từ nối tiếp . Đường đặc tính cơ n = f(M). Khi máy không bão hòa , dòng điện phần ứng Iư và từ thông tỷ lệ với nhau nghĩa là : Iư = kI ( 1.29 ) Do đó : M = kMIư = kMkI = ( 1.30 ) Hoặc là : = ( 1.31) Trong đó k = ( 1.3 2 ) Ta có : n = - (1.33 ) đặt =a, = b , cuối cùng ta có : n = - bRư ( 1.34) Từ phương trình trên ta thấy đặc tính cơ có dạng hypecbôn . Đường đặc tính cơ mềm , mômen tăng thì tốc độ động cơ giảm . Khi không tải hoặc tải nhỏ , dòng điện và từ thông nhỏ , tốc độ động cơ rất lớn có thể gây hỏng động cơ về mặt cơ khí , vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc tải nhỏ. H 1.13 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KÍCH TỪ NỐI TIẾP VÀ KÍCH TỪ HỖN HỢP c) Đường đặc tính làm việc . Động cơ được phép làm việc với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ giới hạn ngh . Động cơ kích từ nối tiếp khi chưa bão hòa , mômen quay tỷ lệ với bình phương dòng điện , và tốc đọ giảm theo tải , động cơ kích từ nối tiếp thích hợp trong chế độ tải nặng nề , được sử dụng nhiều trong giao thông vận tải hay các thiết bị cầu trục . Động cơ kích từ hỗn hợp Các dây quấn kích từ có thể nối thuận ( từ trường hai dây quấn cùng chiều ) làm tăng từ thông hoặc nối ngược(từ trường hai dây quấn ngược chiều ) làm giảm từ thông. Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song và nối tiếp . Các động cơ làm việc nặng nề , dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn kích từ chính , còn dây quấn kích từ song song là phụ và được nối thuận . Dây quấn kích từ song song bảo đảm tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi mômen nhỏ. Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ , và nối ngược có đặc tính rất cứng , nghĩa là tốc độ quay hầu như không đổi khi mômen thay đổi . Thật vậy , khi mômen quay tăng , dòng điện phần ứng tăng , dây quấn kích từ song song làm tốc độ giảm một ít , nhưng vì có dây quấn kích từ nối tiếp được nối ngược , làm giảm từ thông trong máy , sẽ tăng tốc độ động cơ lên như cũ . Ngược lại khi nối thuận , sẽ làm cho đặc tính cơ của động cơ mềm hơn , mômen mở máy lớn hơn , thích hợp với máy ép ,máy bơm, máy nghiền ,máy cán v.v…. Động cơ vạn năng Trong công nghiệp cũng như trong các thiết bị điện sinh hoạt , người ta sử dụng rộng rãi động cơ có vành góp dùng được với dòng điện một chiều và cả dòng điên xoay chiều , nên gọi là động cơ vạn năng . Động cơ vạn năng thường có hai cực từ với dây quấn kích từ nối tiếp . Dòng kích từ là dòng phần ứng , nên từ thông và dòng điện phần ứng sẽ biến thiên đồng thời với nhau, bảo đảm chiều mômen quay động cơ không đổi . Động cơ vạn năng thích hợp với chế độ làm việc năng nề , nên nhiều nước sử dụng loại động cơ này trên đường sắt với lưới điện xoay chiều tần số 50 Hz . Động cơ DC kích từ vĩnh cửu Kích từ bằng nam châm vĩnh cửu từ thông không đổi vận tốc điều khiển tối đa bằng định mức . Công suất cho đến 5kW; Không bị sự cố mất kích từ . Động cơ DC servo motor Servo motor được thiết kế để vận hành với đáp ứng quá độ có chất lượng cao , điều khiển chính xác và hạn chế hiện tượng phóng tia lửa điện khi chuyển mạch. 1.3 Bộ chỉnh lưu Khái niệm chung : Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm nguồn điện một chiều có điều khiển cấp cho các thiết bị mạ, thiết bị hàn một chiều; nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều; nguồn cung cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ. bộ chỉnh lưu còn dùng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa (HVDC). Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận trong thiết bị biến tần, cycloconventer dùng trong truyền động điện động cơ xoay chiều Công suất của các bộ chỉnh lưu có thể từ vài trăm W đến hàng chục MW. 1.3.1 Các bộ chỉnh lưu điều khiển chứa Diode- quy tắc phân tích mạch chỉnh lưu tổng quát Các diode xuất hiện trong bộ chỉnh lưu điều khiển dưới dạng mạch điều khiển bán phần hoặc dạng diode không ( diode zero), hoặc trong dạng bộ chỉnh lưu không điều khiển. Các diode dùng thay thyristor trong mạch làm giảm giá thành mạch động lực lẫn mạch điều khiển, hạn chế thành phần xoay chiều của dòng chỉnh lưu , điều này dẫn đến chất lượng dòng điện phẳng hơn. Do đó, tăng hiệu suất cũng như hệ số công suất nguồn điện. ở một vài dạng mạch, việc đưa thêm diode vào mạch làm tăng khả năng điều khiển góc trong thực tế đạt đến giá trị lý tưởng ( vídụ max=). Phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu chứa diode có thể dựa trên ba bước chính: 1. Tách dạng mạch chỉnh lưu cầu thành hai nhóm mạch tia mắc nối tiếp. Mỗi nhóm mạch tia gồm hai hoặc nhiều nhánh mạch tia mắc song song . Mỗi nhánh của mạch tia có thể gồm: Nguồn điện mắc nối tiếp với linh kiên: linh kiên có thể ở dạng điều khiển (SCR) hoặc không điều khiển (diode). Linh kiện : trường hợp này, nguồn điện được giả thiết bằng 0. 2. Với giả thiết dòng điện qua tải liên tục và bỏ qua tác dụng cảm kháng trong của nguồn, thực hiện phân tích giản đồ đóng ngắt các linh kiện trong từng nhóm mạch tia theo quy tắc phân tích bộ chỉnh lưu mạch tia như sau: Quy tắc 1: dấu quy ước chọn cho các điện áp pha nguồn có cực dương tiếp xúc với anode linh kiện. Trong nhóm mạch chỉnh lưu mạch tia nhiều pha, tại thời điểm đang xét giữa các thyristor được kích đồng thời, diode và linh kiện đang dẫn điện thì linh kiên nào mắc vào nguồn áp ba pha có trị tức thời lớn nhất trong tất cả các pha nguồn sẽ chuyển sang trạng thái đóng, tất cả các linh kiện còn lại bị ngắt. ( diode được xem như một dạng đặc biệt của thyristor có chế độ kích đóng liên tục). Quy tắc 2: trong trường hợp ,dấu hiệu áp pha nguồn ngược lại với quy tắc 1. trong nhóm mạch chỉnh lưu mạch tia nhiều pha, tại thời điểm đang xét, giữa các thyristor được kích đồng thời , diode và linh kiện đang dẫn điện thì linh kiện nào mắc vào nguồn áp pha có trị tức thời nhỏ nhất trong tất cả pha nguồn sẽ chuyển sang trạng thái đóng, tất cả các linh kiện còn lại bị ngắt. Khi một nhánh của mạch tia chỉ chứa linh kiện thì điện áp nguồn của nhánh đó bằng 0. Một linh kiện đang dẫn điện sẽ bị ngắt khi có linh kiện khác mắc vào nguồn áp tức thời lớn hơn được kích đóng. 3. Kết hợp giản đồ đóng ngắt linh kiện của các nhóm mạch tia để tạo thành giản đồ đóng ngắt linh kiện của bộ chỉnh lưu cầu. theo giản đồ đóng ngắt đó, ta xác định điện áp tải chỉnh lưu cầu và giải phương trình mạch để xác định dòng tải. Nếu dòng tải bị gián đoạn thì khoảng có dòng gián đoạn sẽ được thay thế bằng trạng thái không dẫn điện và dạng áp trên tải trong khoảng này được thay thế bằng sức điện động tồn tại trong mạch ( Ud = E, nếu có) hoặc bằng không (Ud=0, nếu tải RL), còn trong khoảng thời gian dòng liên tục, điện áp tải phụ thuộc vào áp nguồn và góc kích và giữ nguyên các kết quả phân tích theo quy tắc. 1.3.2 Bộ chỉnh lưu cầu một pha bán phần Phân loại: Ta có hai loại mạch như sau: Mạch đối xứng ( H 1.14a )óThay các SCR trong một nhóm bằng các diode. Mạch không đối xứng (H1.14b)óThay các SCR trong một nhánh bằng các diode. a)dạng mạch đối xứng b)dạng mạch không đối xứng H1.14: Bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần Nhóm mạch tia anode V1,V3 với các pha nguồn tương ứng là u và 0 , dấu quy ước thỏa mãn quy tắc 1. Nhóm cathode gồm V2,V4 với các pha nguồn tương ứng là u và 0, dấu nguồn thỏa mãn quy tắc 2. Giản đồ đóng ngắt linh kiện V1,V2,V3,V4 được suy ra trên H1.14 H1.15 Trạng thái áp và dòng của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần với cấu trúc đối xứng và diode chuyển mạch. Tổng hợp giản đồ đóng ngắt linh kiện của hai nhóm mạch tia, ta có giản đồ đóng ngắt cho mạch cầu ( xem H1.15). Từ đó, quá trình điện áp và dòng điện được dẫn giải như sau: Trạng thái V1,V2 : ud = u Trạng thái V2,V3: ud = 0 Trạng thái V3,V4: ud = -u Trạng thái V4,V1: ud=0 Phương trình dòng điện áp dụng cho các trạng thái là: Trị trung bình điện áp tải: (2.32) Nếu giả thiết dòng qua tải lọc phẳng id = Id, ta có: Trị trung bình dòng qua linh kiện: (2.33) Trị hiệu dụng dòng điện qua nguồn: (2.34) . CHƯƠNG 2 HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ DC –BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN 2.1 Hệ thống truyền động điện và các phần tử - định nghĩa Một hệ thống truyền động điện là một hệ thống máy móc được thiết kế với nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành điện năng và bao gồm cả khả năng điều khiển bằng điện cho quá trình biến đổi này. Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp , trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng… Ước tính khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ truyền động điện. Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được ( hệ điều tốc ). Hiện nay, khoảng 75-80% các hệ truyền động điện với tốc độ không đổi; với các hệ thống này, tốc độ hoạt động của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại chiếm khoảng 20-25%, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ để phối hợp được đặc tính động cơ và đặc tính tải yêu cầu. với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý hiện nay, các hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu được trong quá trình tự động hóa và sản xuất. Bộ biến đổi Mạch động lực Tải Động cơ Nguồn Tín hiệu điều khiển Khối điều khiển Khối hồi tiếp H2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống truyền động điện Tải trong H 2.1 ở đây là một cơ cấu máy được thiết kế để hoàn thành một chức năng nhất định. Ví dụ: máy công cụ, máy nghiền giấy, cầu trục… thông thường, tải được biểu diễn qua quan hệ giữa tốc độ và mô men của nó. Quan hệ giữa tốc độ và mô men của tải được gọi là đặc tính cơ của tải. Quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ được gọi là đặc tính cơ của động cơ. M M B M B’ A’ a) ω b) A ω c) ω H2.2 Các dạng đặc tính cơ của động cơ động cơ DC kích từ độc lập ; b) động cơ không đồng bộ c)động cơ đồng bộ Ngoài ra, đặc tính cơ điện là quan hệ giữa tốc độ và dòng điện của động cơ. Ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ nếu động cơ được vân hành ở chế độ định mức, ví dụ : đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ nhận được khi động cơ được cung cấp điện áp và tần số định mức. Để lựa chọn một hệ thống truyền động điện thích hợp cho một ứng dụng nào đó, trước tiên đặc tính cơ của tải phải được khảo sát kỹ lưỡng. Tiếp đến, động cơ được lựa chọn cho hệ thống trên cơ sở đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu về mômen và tốc độ của tải, đồng thời dòng điện động cơ không vượt quá các giới hạn cho phép của động cơ và của nguồn. Thông thường đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không thể thỏa mãn yêu cầu của tải. Vì vậy, một bộ biến đổi công suất dùng bán dẫn được sử dụng và đặt giữa động cơ và nguồn như H2.1. Bộ biến đổi bao gồm mạch động lực và khối điều khiển. Bộ biến đổi giữ nhiệm vụ điều khiển dòng công suất từ nguồn đến động cơ sao cho đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của dòng điện của động cơ tương hợp với yêu cầu của tải. Khối điều khiển của bộ biến đổi có thể sử dụng kỹ thuật mạch tương tự, mạch số hoặc mạch kỹ thuật vi xử lý và hoạt động với mức điện áp và công suất thấp hơn nhiều so với mức điện áp của mạch động lực trong bộ biến đổi. Vì các lý do an toàn và tránh nhiễu phát sinh do việc đóng ngắt các linh kiện công suất, mạch động lực và mạch điều khiển thường cách ly về điện. Việc đo và hồi tiếp một số thông số của hệ thống như dòng qua bộ biến đổi, tốc độ, góc quay của động cơ…được thực hiện khi có yêu cầu về điều khiển vòng kín hoặc bảo vệ hệ thống. Các tín hiệu hồi tiếp được thực hiện qua mạch hồi tiếp được thực hiện qua mạch hồi tiếp và thường sử dụng các cảm biến thích hợp để cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển của hệ thống. 2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC 2.2.1 Các thông số đánh giá chất lượng Độ cứng đăc tính cơ được định nghĩa : = ( 2.1 ) Với ta có đặc tính cơ cứng ; nhỏ ta có đặc tính cơ mềm . Độ ổn định tốc độ ( speed regulation ) : đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt , xác định bởi công thức : = ; % = 100 ( 2.2 ) Trong đó : là tốc độ đặt là tốc độ thực Độ trơn điều chỉnh tốc độ được định nghĩa : = ( 2.3 ) Trong đó : lần lượt là các giá trị tốc độ xác lập ổn định ở cấp thứ i và i+1. Từ đây ta có thể phân loại : Hệ truyền động là vô cấp nếu → 1, nghĩa là hệ có thể làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh tốc độ . Hệ truyền động là có cấp khi hệ chỉ có thể làm việc ổn định tại một số giá trị của tốc độ trong dải điều chỉnh tốc độ . Dải điều chỉnh tốc độ Dải điều chỉnh tốc độ hoặc phạm vi điều chỉnh tốc độ là tỷ số giữa tốc độ lớn nhất max và giá trị tốc độ nhỏ nhất min khi điều chỉnh D = ( 2.4 ) Giá trị của max thường bị hạn chế bởi độ bền cơ khí và cấu tạo của động cơ . Giá trị min bị hạn chế bởi yêu cầu về mômen khởi động , khả năng quá tải và sai số tốc độ cho phép . Như vậy , đối với truyền động điện , độ cứng đặc tính cơ ảnh hưởng lớn đến dải điều chỉnh tốc độ . Dải điều chỉnh tốc độ càng cao đòi hỏi độ cứng đặc tính cơ của hệ thống bộ biến đổi – động cơ càng lớn . Đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều Với động cơ DC kích từ độc lập ,dòng phần ứng và dòng kích từ có thể điều khiển độc lập với nhau. Với động cơ kích từ song song , phần ứng và cuộn kích từ được đấu với nguồn cung cấp . Vì vậy , với loại động cơ này , dòng phần ứng hoặc dòng kích từ chỉ có thể được điều khiển độc lập bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng hoặc mạch kích từ . Tuy nhiên, đây là cách điều khiển có hiệu suất thấp . Với động cơ kích từ nối tiếp , dòng phần ứng cũng là dòng kích từ , và do đó , từ thông động cơ là một hàm của dòng phần ứng . Với động cơ kích từ hỗn hợp , cần đấu nối sao cho sức từ động (mmf- magnetomotive force) của cuộn nối tiếp cùng chiều với sức từ động của cuộn song song . Phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều là : E = K ( 2.5 ) V = E + RưIư ( 2.6 ) M = KIư ( 2.7 ) Trong đó : - từ thông trên mỗi cực (Wb); Iư – dòng phần ứng (A) ; V – điện áp phần ứng (V); Rư – điện trở phần ứng (Ω); - tốc độ góc trục động cơ (rad/s); M – mômen do động cơ sinh ra ( Nm); K – hằng số , phụ thuộc cấu trúc động cơ. Từ công thức (2.5) và (2.7) , ta có : = - Iư ( 2.8) Lưu ý là các công thức từ (2.1) đến (2.5) có thể áp dụng cho tất cả các loại động cơ một chiều đã kể ở trên. Với loại động cơ kích từ độc lập , nếu điện áp kích từ được duy trì không đổi , có thể gỉa thiết rằng từ thông động cơ cũng không đổi khi mômen thay đổi . Khi đó,ta có : K = const (2.9) Như vậy theo ( 2.8) , đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập là một đường thẳng , như vẽ trên hình 2.3 . Tốc độ không tải của động cơ xác định bởi điện áp cung cấp V và từ thông kích từ K . Tốc độ động cơ suy giảm khi mômen tải tăng và độ ổn định tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần ứng Rư . Trong thực tế , do phản ứng phần ứng , từ thông động cơ giảm khi mômen tăng , dẫn đến tốc độ suy giảm ít hơn là tính toán theo công thức (2.8). Với mômen tải lớn, từ thông có thể suy giảm đến mức độ dốc đặc tính cơ trở nên dương dẫn đến hoạt động không ổn định . Vì vậy ,