Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1. Khái niệm chung Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm năng suất của máy sản xuất. Chính vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu cần thiết và tất yếu đối với các máy sản xuất. Như ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đều đòi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng tuỳ theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau. Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của động cơ truyền động chính… Nhưng ở đây chúng ta chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền động. Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tốc độ động cơ có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. ĐCĐMC không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại động cơ khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng. Từ phương trình đặc tính cơ, ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ : + Mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. + Thay đổi từ thông kích từ + Thay đổi điện áp phần ứng. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng R ư chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này ít dùng và chỉ dùng trong cần trục. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách mắc thay đổi từ thông () đựơc sử dụng trong hệ truyền động có công suất lớn hoặc có yêu cầu về tốc độ làm việc lớn hơn tốc độ cơ bản. Vì phương pháp này được thực hiện trên mạch kích từ của động cơ ( phần kích từ có công suất rất nhỏ so với công súât động cơ) nên dễ dàng thay đổi tốc độ và đạt hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, ta chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và giới hạn điều chỉnh bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng không gây thêm tổn hao trong động cơ điện nhưng đòi hỏi phải có nguồn riêng, có điện áp điều chỉnh được. Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động cơ điện. Và để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ theo các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì cần có các bộ biến đổi. Các bộ biến đổi đó sẽ cấp điện áp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Các bộ biến đổi được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hiện nay là: + Bộ biến đổi máy điện : gồm có động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại + Bộ biến đổi từ : Khuếch đại từ + Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Thysistor + Bộ biến đổi xung áp một chiều : Thysistor hoặc Tranzitor Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như sau : + Hệ truyền động máy phát - động cơ ( F - Đ) + Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ – Đ) + Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ ( KĐT- Đ) + Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ ( T- Đ) + Hệ truyền động xung áp - động cơ ( XA – Đ)… 2.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy tốc độ động cơ phụ thuộc vào các tham số U ư, F, Rf. Khi ta giữ nguyên momen tải và thay đổi giá trị của một trong ba tham số U ư, F, Rf ta sẽ được một đường đặc tính cơ mới tương ứng với một tốc độ mới. 2.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf D ckd Ukt Rkt Rf U ư Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập Nếu ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const ; và từ thông F = Fdm = const; thay đổi điện trở phần ứng ta sẽ được: + Tốc độ không tải lý tưởng: = const + Độ cứng đặc tính cơ: = var (rad/s) 0 TN M c M (N.m) Rf1 Rf2 Rf3 0 Hình 2.2. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng - Ta thấy khi Rf càng lớn ( càng nhỏ) đặc tính cơ càng dốc. Do vậy phương pháp này chỉ cho phép giảm tốc độ bằng cách tăng điện trở mạch phần ứng - Trong thực tế, khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ gây ra một tổn hao công suất rất lớn và không thể điều chỉnh trơn tốc độ nên phải điều chỉnh theo từng cấp điện trở. Chính vì vậy , phương pháp này không được phổ biến như 2 phương pháp thay đổi điện áp phần ứng và từ thông kích từ. 2.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const ; điện trở phần R ư = const ; và thay đổi dòng điện kích từ Ikt của động cơ. Điều này tương ứng với việc từ thông của mạch từ sẽ thay đổi . Ta được: + Tốc độ không tải: = var + Độ cứng đặc tính cơ: = var M Mnm Fdm w w0 w01 w02 F1 Fdm Inm I F2 w0 w01 w02 w o2= F1 F2 (rad/s) (rad/s) (A) Mnm2 Mnm1 (N.m) (b) (a) Hình 2.3. Đặc tính cơ (b) – cơ điện (a) của động cơ khi giảm từ thông Đặc điểm : +Do cấu trúc của máy, nên thực tế chỉ sử điều chỉnh giảm từ thông. Khi giảm từ thông thì wox tăng dần ( w0 w0 + Do việc điều chỉnh đựơc thực hiện ở mạch kích từ, có dòng kích từ nhỏ hơn rất nhiều so với mạch lực, nên công suất tổn hao ít. Đây là ưu điểm nổi bật của động cơ điện một chiều ( kích từ độc lập ) so với các loại động cơ khác. + Phương pháp này chịu ảnh hưởng của hiện tượng từ dư và các nhiễu, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của các hệ truyền động đảo chiều bằng kích từ. + Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Và do đó giá trị lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. 2.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Nếu giữ =dm= const ; R ư= const và thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta được : Tốc độ không tải : =var Độ cứng đặc tính cơ: = const (rad/s) TN M đm M (N.m) Hình 2.4. Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng 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 và có độ cứng đặc tính cơ là không đổi, trong đó đường đặc tính cơ tự nhiên là là đặc tính cơ lúc vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông đạt giá trị định mức và không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ) Khi giảm điện áp phần ứng đặt vào động cơ thì dòng điện ngắn mạch sẽ giảm ( Inm = ), momen ngắn mạch của động cơ ( Mnm = K.Inm) cũng sẽ giảm. Và do vậy tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cho phép điều chỉnh dưới tốc độ định mức (Vì không thể tăng cao hơn điện áp định mức của động cơ điện). Kết luận Từ việc phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, em thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng có rất nhiều ưu điểm ( nổi bật nhất là độ cứng đặc tính cơ không thay đổi) phù hợp với động cơ công suất nhỏ, điều chỉnh tốc độ ở vùng dưới tốc độ định mức, momen tải không đổi trong toàn dải điều chỉnh. Vậy trong mô hình thực, em chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để điều chỉnh tốc độ động cơ Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ : + Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần có bộ biến đổi (thiết bị nguồn, các bộ chỉnh lưu…). Các bộ biến đổi này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được theo yêu cầu của mạch lực cấp cho mạch phần ứng động cơ thông qua tín hiệu điều khiển Udk. Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập + Phương trình đặc tính cơ : .Iu Trong đó: Eb là suất điện động của bộ biến đổi Rb là điện trở trong của bộ biến đổi Fdm K Eb wo = . + Do khi điều chỉnh tốc độ ta giữ từ thông () và điện trở phần ứng không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, nhưng có thêm điện trở của bộ biến đổi nên đường đặc tính cơ sẽ dốc hơn so với đường đặc tính cơ tự nhiên. Còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Eb = Udk K Ru F ) ) ( . ( 2 Rb b + = + Để xác định giải điều chỉnh tốc độ khi ta thay đổi điện áp phần ứng động cơ thì ta phải xác định tốc độ lớn nhất và tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh khi mà momen tải là định mức. ; Như vậy, phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Hình 2.6. Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều + Vì = dm = const, nên momen tải sẽ không đổi (Mc.cp = K.dm.Idm = Mdm), do vậy phạm vi điều chỉnh tốc độ và momen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đường thẳng ω = ωdm ; M = Mdm ( các trục toạ độ như biểu đồ bên dưới ). Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trong mạch phần ứng, nếu bỏ qua các tổn thao không đổi trong hệ thì hiệu suất của mạch được xác định qua biểu thức: . I2 I­ E ( F )2 . . . . K R M w w R I­ E P2 P1 hu + = + = = Hình 2.7. Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau Với phụ tải đường 1 là tải máy nâng ( X=0); đường 2 là phụ tải máy tiện ( X= 1) Trong đó X là hệ số xác định dạng đặc tính tải: Mc = Mco + (Mdm – Mco). Qua những phân tích trên chúng ta thấy điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất thích hợp với những tải có momen là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Đặc biệt là không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ làm giảm hiệu suất của hệ. 2.3. Các hệ truyền động động cơ 2.3.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ (F- Đ) Hệ F - Đ là một trong những phương án điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh điện áp phần ứng Hệ truyền động máy phát động cơ có bộ biến đổi là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay với tốc độ không đổi. Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động F-Đ Đặc điểm của hệ truyền động F- Đ : + Tốc độ động cơ Đ có thể đựơc điều chỉnh từ 2 phía: Phía kích thích máy phát F Phía kích thích động cơ Đ + Hệ F – Đ có đặc tính cơ điền đầy đủ trong 4 góc phần tư: Trong đó: - Góc phần tư thứ nhất và ba làm việc trong chế độ động cơ - Góc phần tư thứ hai và bốn làm việc trong chế độ hãm Phương trình đặc tính cơ: Hình 2.9. Đặc tính cơ của hệ F- Đ - Ưu điểm của hệ F- Đ : + Chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt + Dễ dàng điều khiển + Phạm vi điều chỉnh rộng ( D = 10 ÷1 ) + Khả năng quá tải lớn. Do đó hệ truyền động F-Đ thường được dùng trong các máy khai thác công nghiệp mỏ. - Nhược điểm của hệ F-Đ : + Dùng nhiều máy phát điện quay nên hiệu suất thấp (η < 75%) + Gây tiếng ồn lớn + Máy phát điện một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ + Công suất lắp đặt máy phát lớn hơn công suất động cơ, diện tích lắp đặt lớn… Do những nhược điểm trên, nên hệ F – Đ có xu hướng thay thế bằng hệ điều áp dùng bộ biến đổi van - động lực. 2.3.2. Hệ truyền động xung áp - động cơ điện một chiều (XA –Đ) Hệ XA - Đ sử dụng bộ biến đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. - Cấu tạo : Gồm có bộ nguồn áp một chiều và bộ khoá điều khiển - Đặc điểm : + Có van đệm điốt Đ0 ( mắc song song với động cơ) để cải thiện dạng dòng điện phần ứng + Khi đóng khoá K, thì điện áp trên phần ứng động cơ thay đổi theo dạng xung vuông. Chính vì vậy mà khi ta thay đổi thời gian đóng khoá K thì ta sẽ điều chỉnh được điện áp của phần ứng của động cơ. + Do yêu cầu đóng ngắt với tần số cao, cỡ vài trăm chu kì trong một giây nên khoá K thường được thay bằng khoá bán dẫn tranzitor hay thysistor. Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý (a) và đồ thị điện áp, dòng điện (b) - Phương trình đặc tính cơ của hệ XA – Đ : ω = (l là giá trị độ rỗng của xung áp) Hình 2.11. Đặc tính cơ của hệ truyền động xung áp 2.3.3. Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ ( T- Đ) Với hệ truyền động T - Đ ta có thể thay đổi thời điểm đặt xung điện áp lên cực điều khiển, nhờ đó ta có thể điều chỉnh được điện áp chỉnh lưu. - Cấu tạo hệ T - Đ bao gồm : + Máy biến áp ( MBA ): Chức năng biến điện áp xoay chiều về điện áp phù hợp với động cơ. + Thysistor: Là phần từ biến đổi: - Thysistor mở khi : VA > VK và có xung điều khiển - Thysistor khoá khi: VA < Vk và dòng thysistor giảm về 0 + Cuộn cảm LK: Có tác dụng san bằng điện áp làm việc + Động cơ điện một chiều Nguyên lý hoạt động : Xét trong chế độ dòng gián đoạn: + Khi cuộn cảm LK có giá trị Ld không đủ lớn thì năng lượng trong cuộn cảm không đủ lớn để duy trì dòng điện trong cuộn, do vậy sinh ra dòng gián đoạn. + Đặc điểm của hệ CL – Đ ở chế độ này là dòng điện không ổn định, momen sinh ra không đều, động cơ có tốc độ không được ổn định. Do vậy, ta cần áp dụng các phương pháp tự động điều chỉnh đặc biệt khi sử dụng hệ CL – Đ ở chế chế độ dòng gián đoạn. Thực tế người ta thường tăng Ld để tạo ra dòng liên tục Xét trong chế độ dòng liên tục: + Chỉnh lưu điều khiển có góc mở van nhất định tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên. Tác động mở từng van vào các thời điểm khác nhau cho dòng điều chỉnh lưu id (Ta đã chọn để có dòng id liên tục do vậy ta luôn có dòng qua động cơ) . + Việc lựa chọn thời điểm mở van ta sẽ điều chỉnh được suất điện động chỉnh lưu Ed và do vậy sẽ điều chỉnh được điện áp phần ứng động cơ Uư Từ sơ đồ thay thế ta có : Id = ; Ed = Ud =Udo.cos §K E CK ­ I var U Udk ~ - + Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý của hệ T - Đ + Lưu ý: Khi có hiện tượng trùng dẫn ( hai van cùng dẫn) sẽ làm ngắn mạch phía thứ cấp máy biến áp.Vì vậy để tránh hiện tượng cháy, nổ do ngắn mạch ta phải lắp MBA có UN%={5 10}% - Đặc tính cơ của hệ T – Đ Hình 2.13. Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thysistor - động cơ và đặc tính cơ của động cơ + Phương trình đặc tính cơ: Từ đó ta có Và Khi thay đổi góc điều khiển : - Trong khoảng =[0/2] thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu Nếu E > 0 , động cơ làm việc ở chế độ động cơ Nếu E < 0 động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược - Trong khoảng = [/2max] thì tải có tính chất thế năng .Để quay ngược động cơ, lúc này Ed và E đổi dấu. Nên dòng điện Iu vẫn chạy theo chiều cũ, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều trả về lưới. - Ưu nhược điểm của hệ T- Đ Ưu điểm: + Độ tác động nhanh cao + Dễ tự động hoá , van có hệ số khuếch đại công suất lớn nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thông + Không gây ồn + Điều khiển góc mở van có thể điều chỉnh tốc độ nhanh + công suất điều khiển nhỏ, giá thành rẻ hơn so với các hệ truyền động khác Nhược điểm: + Van bán dẫn có dòng phi tuyến, thời gian quá độ sẽ lớn + Điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở xấu dạng điện áp của nguồn hoặc lưới + Hệ số công suất của mạch thấp. Kết luận : Với sự phân tích các hệ truyền động ở trên, em thấy rằng bộ biến đổi chỉnh lưu điều khiển trong hệ truyền động T – Đ là phù hợp nhất với động cơ trong mô hình thực nhất. Vì công suất của động cơ sử dụng là nhỏ lại yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác, êm, trơn, gọn nhẹ, chi phí ít…