Điện, điện tử - Những khái niệm cơ bản

1NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CHƯƠNG 1 2Giới thiệu tổng quan • Hệ thống truyền động điện (TĐĐ): biến đổi điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại • Các hệ thống TĐĐ tiêu thụ khoảng 50% lượng điện năng được sản xuất • Khoảng 20-25% các hệ thống TĐĐ có yêu cầu điều chỉnh tốc độ. Tỉ lệ này đang gia tăng cùng với sự phát triển của điện tử công suất (ĐTCS) • Các hệ thống TĐĐ có điều chỉnh tốc độ giúp nâng cao chất lượng và năng suất của máy sản xuất, góp phần tiết kiệm điện năng 3Giới thiệu tổng quan 4Giới thiệu tổng quan 5Một số bộ điều khiển động cơ công nghiệp Bộ điều khiển động cơ DC (ABB) 6Một số bộ điều khiển động cơ công nghiệp Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ (Hitachi) 7Một số bộ điều khiển động cơ công nghiệp Bộ khởi động mềm (Softstarter) 8Ví dụ: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần điều khiển bơm nước 9Ví dụ: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần điều khiển bơm nước 10 Ví dụ: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần điều khiển bơm nước 11 Ví dụ: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần điều khiển quạt làm mát nước giải nhiệt 12 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống TĐĐ 13 Một số định nghĩa • Đặc tính cơ: quan hệ M() • Đặc tính cơ tự nhiên • Đặc tính tốc độ: quan hệ I() MĐặc tính cơ động cơ DC kích từ độc lập Đặc tính cơ động cơ KĐB 14 Phương trình momen cơ bản Phương trình động học tổng quát của hệ thống truyền động điện: c d M M J dt     J : Momen quán tính của hệ thống  d J dt  : momen động, chỉ xuất hiện trong quá trình quá độ  cM M : hệ thống tăng tốc  cM M : hệ thống giảm tốc  cM M : hệ thống ở trạng thái xác lập 15 Phương trình momen cơ bản Phương trình tổng quát biểu diễn momen cản: 2 c t ms C tM M B M C M B        tM : Momen cơ do yêu cầu của tải  B : Momen ma sát nhớt (viscous friction)  ms CM  : Momen ma sát khô (Coulomb friction) 16 Phân loại momen tải Tổng quát, momen tải có thể chia thành hai loại chính: • Momen tải chủ động: momen tải luôn tác động lên động cơ, cả khi hệ thống ở trạng thái tĩnh (tải thế năng, tải do lực nén, lực đàn hồi trong hệ thống sinh ra). Momen tải không đổi chiều khi tốc độ đổi chiều. • Momen tải thụ động: momen tải có khuynh hướng chống lại chuyển động và thay đổi chiều khi tốc độ thay đổi (tải ma sát, tải của máy cắt gọt kim loại) 17 Đặc tính cơ một số loại tải 18 Khâu cơ khí quy đổi của TĐĐ Động cơ Bộ giảm tốc Tải M Mlv (Flv vlv) lv Động cơ Tải Mc M J Quy đổi momen hoặc lực của tải về trục động cơ Nguyên tắc quy đổi : bảo toàn công suất Quy đổi momen quán tính của các bộ phận chuyển động về trục động cơ Nguyên tắc quy đổi : bảo toàn động năng của hệ thống 19 Khâu cơ khí quy đổi của TĐĐ Chuyển động của bộ phận làm việc là chuyển động quay Quy đổi momen tải về trục động cơ LV LV LV c LV c M M M i M M i           Trong đó : tỉ số truyền : LV i    20 Khâu cơ khí quy đổi của TĐĐ Chuyển động của bộ phận làm việc là chuyển động thẳng Quy đổi lực của tải về trục động cơ LV LV c LV c F v M F M        Trong đó : bán kính quy đổi : LV v    21 Khâu cơ khí quy đổi của TĐĐ Quy đổi momen quán tính của các bộ phận chuyển động về trục động cơ Nguyên tắc quy đổi : bảo toàn động năng của hệ thống 222 2 1 1 2 2 1 1 2 2 2 2 n m ji m i j i j n m i m j j i ji v J J J m J J J m i                    mJ : momen quán tính của động cơ,  iJ : momen quán tính phần tử quay thứ i,  jm : khối lượng phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j,  ii : tỉ số tốc độ từ trục động cơ đến phần tử quay thứ i,  j : bán kính quy đổi tốc độ từ phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j  trục động cơ 22 Ví dụ: Quy đổi hệ thống truyền động thang máy về trục động cơ Xét hệ thống truyền động điện cho thang máy như hình dưới đây. Các thông số của hệ thống truyền động cơ khí được cho trên hình Tốc độ định mức của động cơ là nđm = 1550v/ph. Hiệu suất của hệ truyền động cơ khí là 0.8  . Tính : 1. Momen quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ 2. Momen và công suất cần thiết trên trục động cơ trong trường hợp có đối trọng và không có đối trọng 23 Ví dụ: Quy đổi hệ thống truyền động thang máy về trục động cơ 24 Ví dụ: Quy đổi hệ thống truyền động thang máy về trục động cơ 1. Momen quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ Tốc độ góc định mức của động cơ : 2 2. .1550 162.22 / 60 60 dmn rad s       Momen quán tính của hệ thống quy về trục động cơ tính như sau : Gọi rJ là momen quán tính của các phần chuyển động quay quy đổi về trục động cơ : 22 1 2 3 4 5 62 2 2 2 2 2 2 ( ) 2.5 7.5 15 8 2 (0.5 200) 8 25.062 162.22 162.22 dr r r J J J J J J J J kgm                 25 Ví dụ: Quy đổi hệ thống truyền động thang máy về trục động cơ Gọi cJ là momen quán tính của cabin và đối trọng quy đổi về trục động cơ : 2 2 2 2 2 1 ( ) (1200 800) 0.0724 166.22 l c dt v J m m kgm       Momen quán tính toàn bộ hệ thống truyền động cơ khí quy đổi về trục động cơ : 225.062 0.0724 25.135r lJ J J kgm     26 Ví dụ: Quy đổi hệ thống truyền động thang máy về trục động cơ 2. Momen tải quy đổi về trục động cơ Khi không có đối trọng : . . . . . . 1200 9.81 1 90.71 . 162.22 0.8 c c c c M m g v m g v M Nm          Công suất cần thiết của động cơ : 90.71 162.22 14715 14.715c cP M W kW     Khi có đối trọng : . . ( ). . . . (1200 800) 9.81 1 30.71 . 162.22 0.8 c c dt c c M m m g v m g v M Nm            Công suất cần thiết của động cơ : 30.71 162.22 4905 4.905c cP M W kW     27 Sự ổn định của điểm làm việc xác lập • Hệ thống động cơ – tải đạt trạng thái xác lập khi: M = Mc • Điều kiện để điểm làm việc xác lập là ổn định: 0c dM dM d d         Ví dụ: Xét các điểm làm việc ở hình bên. Điểm làm việc: • A, C: ổn định, • B: không ổn định 28 Chế độ làm việc của động cơ M Động cơ Tải M P = M Động cơ Tải M P = M Động cơ Tải M P = M Động cơ Tải M P = M III III IV Chế độ động cơ Chế độ động cơ Chế độ hãm Chế độ hãm Các phần tư làm việc của hệ thống truyền động điện 29 Chế độ làm việc của động cơ Công suất điện cung cấp cho động cơ dP Công suất động cơ sinh ra: cP M Động cơ có thể làm việc ở :  Chế độ động cơ : 0 à 0d cP v P   Chế độ hãm : - Hãm tái sinh : 0 à 0d cP v P  - Hãm ngược : 0 à 0d cP v P  - Hãm động năng : 0 à 0d cP v P  30 TÓM TẮT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐTCS THÔNG DỤNG 31 Diode 32 Thyristor (SCR) 33 BJT (Bipolar Junction Transistor) Dẫn Tắt BJT loại NPN a. Ký hiệu b. Đặc tuyến c. Đặc tuyến lý tưởng Tắt 34 BJT (Bipolar Junction Transistor) 35 MOSFET 36 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 37 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 38 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 39 MCT (MOS-Controlled Thyristor) 40 Khả năng tải & đóng cắt của các khóa bán dẫn thông dụng Loại linh kiện Công suất đóng ngắt Tần số đóng ngắt BJT Trung bình Trung bình MOSFET Thấp Cao GTO Cao Thấp IGBT Trung bình Trung bình MCT Trung bình Trung bình 41 Khả năng tải & đóng cắt của các linh kiện ĐTCS hiện nay 42 BÀI TẬP 43 Bài tập Khảo sát hệ truyền động gồm : động cơ DC nam châm vĩnh cửu với đặc tính cơ : 188.4 0.1M  kéo một máy phát DC cấp nguồn cho tải trở. Đặc tính cơ của máy phát là : 2M  . Tính tốc độ và momen tại điểm làm việc xác lập và khảo sát tính ổn định của điểm làm việc này. 44 Bài tập Hệ thống động cơ + bộ biến đổi có đặc tính cơ cho bởi hệ thức: M a b  . Tải của động cơ có đặc tính cơ: 2cM c . Các hệ số a, b, c là các số thực dương. a. Tìm tốc độ làm việc xác lập của hệ thống. Xác định biểu thức liên quan giữa các hệ số để có hai điểm làm việc có 0  . b. Xét sự ổn định của các điểm làm việc này.