Đồ án Thiết kếbộ điều khiển động cơmột chiều kích từ độc lập

Tài liệu tham khảo 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây cả nước ta đang bước vào công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, sự giáo dục đóng vai trò quan trọng trong công cuộc này đặc biệt là đào tạo ra đội ngũ có tay nghề cao biết kết hợp chặt chẽ lý thuyết và thực tiễn vào lao động sản xuất. Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự động hoá quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rĩa trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Tự động hoá không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm. Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất, về truyền động điện, về vi mạch và xử lý trong công tác kỹ thuật hiện tại. Để đáp ứng những nhu cầu khó khăn đó em được giao nhiệm vụ làm đồ án "Thiết kế bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập". Việc làm đồ án tốt nghiệp đã giúp em ôn lại phần lý thuyết đã được học ở trường kết hợp với thực tiễn lao động sản xuất của nhà máy trong thời gian em thực tập đã giúp em hiểu sâu hơn, biết vận dụng được lý thuyết được học ở trường vào thực tiễn. Đồ án của em gồm có 5 chương, giới thiệu về công nghệ cán thép nóng, các biểu thức tính toán, đưa ra phương án chọn công suất động cơ. Vấn đề điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều, phân tích tính toán mạch lực và mạch điều khiển. Tổng hợp hệ thống truyền động điện động cơ một chiều và mô phỏng bằng Simulink. Tài liệu tham khảo 2 CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ CÁN 1.1. LÝ THUYẾT CÁN Cán là một hình thức gia công bằng áp lực để làm thay đổi hình dạng và kích thước của vật thể kim loại dựa vào biến dạng dẻo của nó. Yêu cầu quan trọng trong quá trình cán là ứng suất nội biến dạng dẻo, không được lớn, đồng thời kim loại vẫn giữ được độ bền cao. Cán là phương pháp biến dạng kim loại giữa hai trục cán quay ngược chiều, phôi được biến dạng liên tục và di chuyển nhờ sự quay liên tục của trục cán, ma sát giữa trục cán và phôi. Phôi cán ăn vào trục cán nhờ lực ma sát tiếp xúc giữa phôi và trục cán, do cấu tạo trục quay nên khi phôi bị lực ma sát T kéo vào khe hở giữa hai trục cán phát sinh ra lực P, lực P ta gọi là lực cán. Dưới tác dụng của lực cán P vật cán bị giảm chiều cao từ H tơi h, phần kim loại bị biến dạng trên chủ yếu làm cho vật cán dài ra, còn một phần làm cho vật cán giãn rộng từ B tới b. Hình 1.1: Sơ đồ quá trình cán trong trục phẳng Tài liệu tham khảo 3 1.2. MÁY CÁN Máy cán là loại máy gia công kim loại bằng áp lực để cán ra sản phẩm có hình dạng và kích thước nhất định, máy gồm 3 bộ phận chính như hình H1.2 Giá cán là một thiết bị nằm trong máy cán mà tại đó xảy ra quá trình cán. Cấu tạo giá cán như hình H1.3 Động cơ điện dùng động cơ một chiều, nguồn một chiều được cấp từ bộ chỉnh lưu riêng. Hình 1.2: Cấu tạo máy cán Tài liệu tham khảo 4 H1.3. Cấu tạo giá cán 1.3. CÁC BIỂU THỨC TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KIỆN CÁN Khi cho phôi kim loại vào hộp cán thì phôi bị kẹp và ép chặt giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau, kết quả là bề dày của phôi giảm đi, chiều dài của phôi tăng lên, chiều rộng cũng tăng chút ít. Coi máy cán có hai trục cán giống hệt nhau, quay ngược chiều nhau với cùng tốc độ và phôi cán có cơ tính đồng đều, kí hiệu các đại lượng của phôi. Tài liệu tham khảo 5 H 1.4. Sơ đồ cán phôi H: Bề dày B: Chiều rộng L: Chiều cao F: Tiết diện L2 > L1, H2 B1, F2 < F1 1.3.1. Các thông số cơ bản a. Hệ số kéo dài Là tỷ số chiều dài sau khi cán và trước khi cán ( )2 1 L 1 L λ = > (1-1) Sau n lần cán, hệ số kéo dài toàn phần i nλ = λπ (1-2) Nếu coi thể tích phôi không đổi (V1 ≈ V2) thì Tài liệu tham khảo 6 2 2 2 1 1 1 1 2 L V / F F L V / F F λ = = = (1-3) Nếu coi độ mở rộng là không đáng kể (B1 ≈B2) thì 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 L F H B H L F H B H λ = = = = (1-4) b. Cung ngoạm Là cung tròn trên trục cán tiếp xúc với phôi cán (cung AB ở hình H1.5). c. Góc ngoạm Là góc tâm α ứng với cung ngoạm vùng biến dạng và vùng gạch chéo của phôi cán trên hình H1.5 Tại mỗi thời điểm cho cùng biến dạng là thể tích kim loại giới hạn bởi cung ngoạm α và các mặt phẳng thẳng đứng tại đầu và trục của kim loại và tại đầu ra khỏi trục của kim loại tương ứng qua các điểm A và B. Tài liệu tham khảo 7 1.3.2. Điều kiện để trục cán ngoạm được kim loại: H1.5. Lực của trục cán tác dụng lên phôi Trục cán ngoạm phôi và cán ép được là nhờ lực ma sát tiếp xúc xuất hiện trên cung ngoạm AB khi trục quay. Nhưng ngoài trục kéo vào do trục cán gây ra còn lực đẩy ra. Nếu lực đẩy lớn hơn lực kéo vào thì trục cán không ngoạm được phôi. Lúc ngoạm phôi trục cán tác dụng phôi lực P → , đồng thời lực ma sát T → tiếp tuyến với mặt tròn trục cán có xu hướng kéo phôi vào trục cán, phân tích P → và T → theo các phương yy và xx ta thấy. Nếu Px >Tx thì trục cán không ngoạm được phôi Nếu Px <Tx thì trục cán ngoạm được phôi Vậy, điều kiện ngoạm phôi là Tx ≥ Px hay T ≥ T tgα (1-5) Vì lực ma sát trượt T = P Kms = Ptgδms Trong đó Kms: hệ số ma sát trượt δms: góc ma sát trượt, nên biểu thức (1-5) có thể viết lại như sau: PKms = P lg δms ≥ P tgα. Suy ra, điều kiện trục ngoạm được phôi là α Tx T ' Tài liệu tham khảo 8 Kms ≥ tgα (1-6) Hay δms ≥ α (1-7) Kết luận: trục cán chỉ ngoạm được phôi khi hệ số ma sát trượt lớn hơn tang của góc ngoạm hay góc ma sát trượt lớn hơn góc ngoạm. Khi cán nóng: Kms = m (1,05 – 0,0005t) = 0,25 ÷ 0,60 Trong đó: t: Nhiệt độ kim loại, 0C m: Hệ số m = 1, cán nóng trên trục thép a. Độ nén (ép) Δh = H1 – H2 (1-8) Từ hình (1-5) ta có H1 = H2 + 2 BC Nên Δh = ( ) ( )2BC 2 OB OC 2 R RCos= − = − α (1-9) Δh = D (1 - cosα) b. Độ mở rộng (ngang) Mục đích của cán là làm nhỏ và kéo dài phôi nên việc tăng chiều rộng của phôi là điều không mong muốn. Độ mở rộng sẽ tăng khi tăng độ nén đường kính trục cán và hệ số ma sát. ΔB = B2 – B1 (1-10) ΔB = a.Δh (1-11) Trong đó a: hệ số do chú ý đến ảnh hưởng củ T0 a = 0,25 khi T0>10000C a = 0,35 khi T0<10000C c. Sự vượt trước và chậm sau Tài liệu tham khảo 9 Khi cán, sự vượt trước là hiện tượng tốc độ ra V2 của phôi lớn hơn tốc độ dài V của trục cán (H1.6). Độ vượt trước đặc trưng bởi tỷ số: [ ]2V V~ % V −= Trong đó V: Tốc độ dài trục cán V2: Tốc độ phôi ra khỏi trục cán Còn sự chậm sau là hiện tượng tốc độ và trục cán V1 của phôi nhỏ hơn tốc độ dài V của trục cán. H1.6: Hiện tượng vượt trước chậm sau Như vậy ta có V1 < V < V2 Và trong vùng biến dạng, tốc độ phôi tăng dần từ V1 đến V2 nên sẽ có một tiết diện nào đó. Tốc độ phôi bằng tốc độ dài trục cán. Tiết diện này gọi là tiết diện tới hạn. Góc tâm tương ứng γ gọi là góc tới hạn. Lý thuyết cán cho biết, góc tới hạn tính theo công thức V γα Tài liệu tham khảo 10 ms 1 2 2 ⎛ ⎞α α αγ = − <⎜ ⎟2 δ⎝ ⎠ (1-13) Trong đó: α là góc ngoạm δms là góc ma sát Tiết diện tới hạn phân bố ở nửa bên phải góc ngoạm (H1.5) là 1NB AB 2 < có độ vượt trước có thể xác định theo góc tới hạn = 2 1 R H γ (1-14) ở đây: R – bán kính trục cán (mm) H1 – bề dày phôi trước khi cán (mm) d. Áp lực lên trục cán khi cán Khi cán, trục cán đặt một ngoại lực lên phôi để thắng nội trở biến dạng của phôi. Phản lực của phôi gây ra áp lực lên trục cán. Nếu ngọi Pth là áp suất ép trung bình (N/mm2) và Ftx là diện tích tiếp xúc giữa phôi và trục cán (mm2) thì phản lực toàn phần đặt lên 1 trục cán là P = Pth. Ftx [N] Trị số áp suất ép trung bình phụ thuộc vào thành phần hoá học của phôi, T0 là bề dày phôi, độ nén và tốc độ cán Hệ số ma sát và nhiều yếu tố khác nữa. Ftx = Btb. l Trong đó Bth = 1 2 B B 2 + l: dây cung AB chắn góc ngoạm α l = AB AC Dsin 2 α≈ = Tài liệu tham khảo 11 Vì sin 1 cos 2 2 α − α= và theo (1-9) D(1-cosα) = Δh nên h 1 sin 2 2D D α Δ= = (1-18) ⇒ Áp lực lên trục cán khi cán P = Ptb. Bth. [ ]B. h NΔ (1-19) Trị số áp suất trung bình thường tính theo công thức của xelicop ( ) ( )ctb c 2H P 1,15.K . A A 1 h 1 δ= −Δ δ − (1-20) Trong đó Kc: giới hạn chảy của vật liệu phôi ms 2D f h δ = Δ ( ) 1 2 1 20 2 H 1 1 1 HH A H 1 δ δ⎡ ⎤⎛ ⎞+ −δ −⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠= ⎢ ⎥δ +⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ H0: bề dày phôi Tài liệu tham khảo 12 H17: Thông số kỹ thuật khi cán 1.4. TÍNH MÔ MEN TRUYỀN ĐỘNG TRỤC CÁN 1.4.1. Phương pháp Xelicốp Phương pháp này được dựa theo áp suất trung bình để tính toán mô men truyền động trục cán bao gồm Mô men hữu ích Mhi cần để làm biến dạng phôi và khắc phục lực ma sát giữa phôi với trục cán trong khu vực cung ngoạm. Mô men ma sát Mms để thắng lực ma sát ở các ổ trục và các khâu truyền động khác. Mô men không tải M0. Mô men động Mđ để khắc phục lực quán tính tạo gia tốc. Mô men động xuất hiện khi đảo chiều và khi thay đổi tốc độ. ( )® ®d jd.nM j hay M Nmdt 9,55dt ω= = (1-21) [J] – kgm2 Tổng ba thành phần mô men đầu là mô men cản tĩnh toàn phần Vậy mô men cán là Δ α α Tài liệu tham khảo 13 M = Mhi + Mms + M0 + Mđ Mô men không tải thường bằng vài phần trăm mô men định mức của động cơ kéo. M0 = (3 ÷ 5)% Mđm Mô men hữu ích tính từ áp lực trên tục cán. Nếu coi biến dạng phôi giống nhau ở 2 phía trục cán (α1 = α2) (H 1-7) ta có Lực tác dụng P1 = P2 = P. Giá lực a1 = a2 = a và mô men tác dụng để quay một trục cán là M1 = p.a = p. ϕ. l (1-23) H1.8. Sơ đồ tính lực cán Với P tính theo (1-19) l tính theo (1-18) ϕ = a l là tỷ số giữa giá lực và chiều dài cung ngoạm Cán nóng ϕ = 0,5 α α Tài liệu tham khảo 14 Thay (1-18), (1-19) vò (1-23) có M1 = Ptb. Btb ϕ. R. Δh Mô men truyền động cho cả hai trục Mhi = 2Ptb. Btb. ϕ. R. Δh (1-24) Mô men ma sát tính theo công thức 1 hi 1ms Pd 1 M Pd M 1 i i ⎛ ⎞μ + μ⎛ ⎞= + − ⎜ ⎟⎜ ⎟η ⎝ ⎠⎝ ⎠ (1-25) Trong đó: P: áp suất lên trục cán (N/mm2) d: đường kính ngõng trục cán (mm) μ1: hệ số ma sát trong ổ bi i: tỉ số truyền 1.4.2. Phương pháp suát tiêu hao năng lượng Là phương pháp dùng đường cong suất tiêu hoa năng lượng xây dựng từ thực nghiệm. Đường cong này biểu thị năng lượng tiêu hao trên một đơn vị khối lượng sản phẩm theo độ kéo dài hay chiều dầy phôi sau các lần cán. Đường cong này thay đổi theo hình dạng Prophin phôi theo tiết diện phôi lúc đầu và lúc cuối, theo nhiệt độ và thành phần hoá học của phôi cũng như theo loại máy cán, kết cấu… Đường cong suất tiêu hao năng lượng có dạng như hình (H1.8) thường nó biểu thị quan hệ w=f(x) theo độ kéo dài hoặc tiết diện phôi. Tài liệu tham khảo 15 H1.9: Đường cong suất tiêu thụ năng lượng khi cán Phương pháp này sẽ càng chính xác nếu các điều kiện cán tính toán càng sát với điều kiện xây dựng đường cong suất tiêu hao năng lượng. Do vậy, khi tính toán phải chọn đường cong càng gần điều kiện máy thiết kế càng tốt. Nếu có sai khác thì phải điều chỉnh mô men cán cho lần cán đang tính sẽ là: M = Mtđ + Mms = 1,4. 107. ΔW. F. D (1-26) Trong đó: F: tiết diện phôi ở lần cán đang tính (mm2) D: đường kính trục làm việc (mm) ΔW: hiệu sthnl của lần cán đang tính 1.5. TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ. Các động cơ một chiều công suất lớn dùng cho máy cán có cấu tạo đảm bảo đặc tính động tốt nhất ở công suất định mức đã cho. Người ta dùng rộng rãi các động cơ một chiều có nhiều tốc độ. Các động cơ này cho phép giảm đường kính phần ứng và do đó giảm mô men quán tính của động cơ với cùng công suất. Kw.h/tÊn Tài liệu tham khảo 16 Nâng cao tốc độ dài phần ứng, nâng cao hiệu suất mở rộng được dải chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp. Lựa chọn đúng công suất của động cơ điện có một ý nghĩa kinh tế rất lớn bởi vì nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định giá thành ban đầu và giá thành tiêu thụ vận hành ở các hệ thống truyền động điện khác nhau. Sử dụng động cơ điện công suất nhỏ hơn quy định có thể làm thay đổi phá vỡ chế độ công tác bình thường của máy móc, làm giảm năng suất và có thể gây nên sự cố, bản thân động cơ có thể bị hư hỏng. Trường hợp như vậy không những làm giá thành ban đầu tăng lên mà còn làm tăng tổn hao năng lượng vì hiệu suất của động cơ giảm. Mô men truyền động trục cán từ (1-16) M = Mtđ + Mms = 1,4. 107. ΔW. F. D M = 1,4. 107. 376. 1444.10-6. 200.10-3 M = 1250 (KNm) Trong đó ΔW = 376. 103 là STHNL của lần cán đang tính và lần cán trước đó F = 1444 mm2 tiết diện cán ở lần cán đang tính D = 200mm đường kính trục làm việc. Từ các chỉ số Mđt = 1250 (KNm) α = KW.RN164 t.m⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ T = 5195 (Tm2) Ta tính được công suất của động cơ ở lần cán có tiêu hao năng lượng lớn nhất. ®m ®m J 164.5195 P M 1250 α= = =556 (KW) Trong đó Pđm: công suất định mức [KW] Tài liệu tham khảo 17 Mđm: mô men định mức [KNm] (mô men truyền động) J: mô men quán tính phần ứng [T.m]2 trục cán α: chỉ số kỹ thuật của động cơ Vậy ta chọn động cơ loại Mπ9000-1300 Loại ĐC Pđm (Kw) U (V) n (vg/ph) Mđm α Ukt Ikt Mπ6-1300 600 600 600/1300 1250 164 262V/68V 25A/66A Tài liệu tham khảo 18 CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2.1. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU. 2.1.1. Khái niệm chung Quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ. ω = f (M) hoặc n = f(M) Quan hệ giữa tốc độ và mô men của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy sản xuất. Các đặc tính cơ trên có thể biểu diễn ở dạng hàm thuận hoặc hàm ngược, ví dụ: ω = f (M) hay M = f(ω). Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ một chiều, người ta còn sử dụng đặc tính có điện. Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ. w = f (I) hay n = f(I). Trong các biểu thức trên: ω: tốc độ góc rad/s n: tốc độ quay v/ph M: mô men Nm Trong nhiều trường hợp, để đơn giản trong tính toán hoặc dưới dạng so sánh, đánh giá các chế độ làm việc của truyền động điện, người ta có thê dùng hệ đơn vị tương đối. Muốn biểu diễn một đại lượng nào đó dưới dạng tương đối ta lấy tri số của nó chia cho trị số cơ bản của đại lượng đó. Trị số cơ bản được chọn là: Uđm, Iđm, wđm, nđm, fđm, Rđm. Với đại lượng tương đối ta dùng ký hiệu “*” ví dụ: điện áp tương đối là U*, mô men tương đối là M*. Tài liệu tham khảo 19 như vậy một số thông số có thể tính được trong hệ đơn vị tương đối nhự sau: * ®m U U U = ; * ®m M M M = ; ®m W W= W * ®m φφ φ Việc trọn các đại lượng cơ bản là tùy ý, sao cho các biểu thức tính toán được đơn giản, thuận tiện như: Tốc độ cơ bản ở động cơ một chiều kích từ hỗn hợp và kích từ độc lập là tốc độ không tải lý tưởng ω0, còn đối với động cơ kích từ nối tiếp thì tốc độ cơ bản là ωđm. 2.1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điệnáp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng (hình 2.1a). H2.1. Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều a. Kích từ song song b. Kích từ độc lập Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập (hình 21b). Cct Rkt Rf I I Rf Uö Rkt Ukt Uö Tài liệu tham khảo 20 2.1.2.1. Phương trình đặc tính cơ Theo sơ đồ hình 2.1a và hình 2.1b ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư. (2-1) Trong đó: Uư: điệnáp phần ứng, V Eư: sức điện động phần ứng, V Rư: điện trở mạch phần ứng, Ω Iư: dòng điện của mạch phần ứng, A Với: Rư = rư + rcf + rb + rct rư: điện trở cuộn dây phần ứng rcf: điện trở cuộn dây cực từ phụ rct: điện trở tiếp xúc cuộn bù Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức − PN E . . K. . 2 a = φω= φωπ (2-2) 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 một cực từ ω: tốc độ góc rad/s P.NK 2 a = π :hệ số cấu tạo của động cơ. Từ (2-1) và (2-2) ta có − − f − U R R .I K. k. +ω= −φ φ (2-3) Tài liệu tham khảo 21 Biểu thức (2-3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi Mđt = K.φ.Iư (2-4) ®t− M I K. = φ : thay giá trị Iư vào (2-3) ta có ( )− − f2 ®t U R R .M K. K. +ω= −φ φ (2-5) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M ( )− − f2 U R R M K. K. +ω= − −φ φ (2-6) Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông φ = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (2-3) và phương trình đặc tính cơ (2-6) là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 2-2 và 2 – 3 là những đường thẳng. Theo các đồ thị, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: − 0 U K. ω= = ωφ (2-7) ω0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Tài liệu tham khảo 22 H2.2. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều KTĐL H2.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều KTĐL Khi ω = 0 ta có −− nm − f U I I R R = =+ (2-8) và M = K. φ.Inm = Mnm (2-9) Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch. Ngoài ra phương trình đặc tính (2-3) và (2-6) cũng có thể được viết dưới dạng: − 0 U RI K. K ω= − = ω − Δωφ φ (2-10) ( )− 2 0 U RM K. K. ω= − = ω − Δωφ φ (2-11) Trong đó R = Rư + Rf, −0 U K. ω = φ ( )2− R R .I .M K. K. Δω= =φ φ ω ωdm ωdm ω Tài liệu tham khảo 23 Δω được gọi là độ sút tốc độ ứng với giá trị của M. Từ phương trình đặc tính co (2-6) ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ φ, điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động cơ. 2.1.2.2. Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ a. ảnh hưởng của điện áp phần ứng. Giả thiết là Rư = const và φ = φđm = const Khi thay đổi điện áp phần ứng theo hướng giảm so với Uđm, ta có tốc độ không tải. xox ®m U U var K. = =φ Độ cứng đặc tính cơ ( ) 2 − K. R φβ = − = const Như vậy, khi thay đổi điện áp, đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên như hình (2-4) H2.4. Các đặc tính của động cơ một chiều KTĐL khi giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ (U4 < U3 < U2 < U1 < Uâm) Ta thấy rằng: khi thay đổi điện áp (giảm điện áp) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. ω0 Tài liệu tham khảo 24 b. Ảnh hưởng của điện trở phần ứng. Giả thiết Uư = Uđm = const và φ = φđm= const. Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng. ®m0 ®m U K. ω = φ = const Độ cứng đặc tính cơ: ( ) 2 ®m − f K.M K R φΔβ = = −Δω + = var Khi Rf càng lớn thì β càng nhỏ, nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên. ( )2®mTN K.R φβ = − βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy, khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình 2-5. H2.5. Các đặc tính của động cơ một chiều KTĐL khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Rf4 > Rf3> Rf2> Rf1. ω0 ω Tài liệu tham khảo 25 Ứng với một phụ tải M nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch cũng giảm. Phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. c. Ảnh hưởng của từ thông Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const Điện trở phần ứng Rư = const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ. Khi thay đổi Ikt tức là thay đổi φ thì tốc độ không tải lý tưởng ®m ox x U K ω = =φ var Độ cứng đặc tính cơ : ( ) 2 x − K R φβ = = var Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông, nên khi từ thông giảm thì ω0x tăng, còn β sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với ω0x tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. H2.6. Đặc tính của động cơ một chiều KTĐL khi giảm từ thông (φ2 < φ1 < φđm) a. Đặc tính cơ điện; b. Đặc tính cơ ω ω02 ω01 ω0 '2 '1 'K ω ω0 ω01 ω02 φ2 Μχ φ1 φK Tài liệu tham khảo 26 Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông: Dòng điện ngắn mạch ®mnm − I I R = = const Momen ngắn mạch: Mnm = K. φx. Inm = var Với dạng mô men tải cản thích hợp với chế độ làm việc của động cơ. Tải có momen tỷ lệ nghịch với tốc độ, chẳng hạn các cơ cấu máy cuốn dây, quấn giấy, các truyền động quay trục chính, máy cắt gọt kim loại thì khi giảm từ thông, tốc độ động cơ sẽ tăng lên. 2.2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 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 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 lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Điều chỉnh điện áp phần ứng. 2.2.1. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển,… các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Lb BBD Udk Rb Ru EuEb I U a) b) Tài liệu tham khảo 27 H2.7. Sơ đồ khối a. Sơ đồ thay thế; b. Ở chế độ xác lập Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở Rb và điện cảm Lb ≠ 0, ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: Eb – Eư = Iư (Rb + Rưđ) b −®b − ®m ®m R RE .I K. K. +ω= −φ φ (2-12) 0 ®k M Uω= ω − β Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ, ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chạn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu của sai số, tốc độ mô men khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: ®mmax 0max Mω = ω − β ®mmin 0min Mω = ω − β Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mo men ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM. Mđm Trong đó: Tài liệu tham khảo 28 KM là hệ số quá tải về mô men. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ, ta có thể viết. ( ) ( )®mmin nmmin ®m MM1M M K 1ω = − = −β β (1-13) Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào gía trị độ cứng β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được: 0max ®m 10 M ω β ≤ Vì thế với tải có đặc tính mô men không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vượt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh tốc độ và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở như trên là không thoả mãn được. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặt tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị cho phép thì hệ chuyển động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: 0min min 0min 0min S ω −ω Δω= =ω ω ®m cp 0min M S S= ≤β ω (2-14) Tài liệu tham khảo 29 Vì các giá trị Mđm, ω0min, Scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để làm được việc này, trong đa số các trường hợp cần x