Tài liệu Trang bị điện trong máy chương 1

Ch−¬ng 1 Nh÷ng kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn 1.1 Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền ñộng ñiện 1.1.1 Cấu trúc chung của hệ truyền ñộng ñiện Truyền ñộng cho một máy, một dây chuyền sản xuất mà dùng năng lượng ñiện thì gọi là truyền ñộng ñiện (Tðð). Hệ truyền ñộng ñiện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị ñiện, thiết bị ñiện từ, thiết bị ñiện tử, cơ, thủy lực phục vụ cho việc biến ñổi ñiện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất, ñồng thời có thể ñiều khiển dòng năng lượng ñó theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất. Xét sơ ñồ truyền ñộng của máy bơm nước: ðộng cơ ð biến ñổi ñiện năng thành cơ năng tạo ra mômen M làm quay trục máy và các cánh bơm. Cánh bơm chính là cơ cấu công tác (CT) hay cơ cấu sản xuất (CCSX), nó chịu tác ñộng của nước tạo ra mômen MCT ngược chiều tốc ñộ quay ω của trục, chính mômen này tác ñộng lên trục ñộng cơ, ta gọi nó là mômen cản MC. Nếu MC cân bằng với mômen ñộng cơ: M = MC thì hệ sẽ có chuyển ñộng ổn ñịnh với tốc ñộ không ñổi ω = const. CT (c¸nh b¬m) M ω ® M CT (M C ) Khíp nèi trôc H×nh 1.1 - TruyÒn ®éng của máy bơm nước. Có thể mô tả khái quát cấu trúc của một hệ thống Tðð bằng sơ ñồ khối như sau: PhÇn ®iÖn PhÇn C¬ Lø¬i ®iÖn BB§ § TL CCSX §K Gi¸ trÞ ®Æt H×nh 1.2 -CÊu tróc hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn. GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TðH _ Khoa ðiện 1 Ta có thể chia các khâu của hệ truyền ñộng ñiện thành hai phần: phần ñiện và phần cơ. Phần ñiện gồm lưới ñiện, bộ biến ñổi BBð, mạch ñiện - từ của ñộng cơ ð và các thiết bị ñiều khiển ðK. Phần cơ gồm rotor và trục ñộng cơ, khâu truyền lực TL và cơ cấu sản xuất CCSX. 1. BBð: Bộ biến ñổi, dùng ñể biến ñổi loại dòng ñiện (xoay chiều thành một chiều hoặc ngược lại), biến ñổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến ñổi mức ñiện áp (hoặc dòng ñiện), biến ñổi số pha, biến ñổi tần số... Các BBð thường dùng là máy phát ñiện, hệ máy phát - ñộng cơ (hệ F-ð), các chỉnh lưu không ñiều khiển và có ñiều khiển, các bộ biến tần... 2. ð: ðộng cơ ñiện, dùng ñể biến ñổi ñiện năng thành cơ năng hay cơ năng thành ñiện năng (khi hãm ñiện). Các ñộng cơ ñiện thường dùng là: ñộng cơ xoay chiều KðB ba pha rôto dây quấn hay lồng sóc; ñộng cơ ñiện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cữu; ñộng cơ xoay chiều ñồng bộ... 3. TL: Khâu truyền lực, dùng ñể truyền lực từ ñộng cơ ñiện ñến cơ cấu sản xuất hoặc dùng ñể biến ñổi dạng chuyển ñộng (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phù hợp về tốc ñộ, mômen, lực. ðể truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, ñai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc ñiện từ... 4. CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển...). 5. ðK: Khối ñiều khiển, là các thiết bị dùng ñể ñiều khiển bộ biến ñổi BBð, ñộng cơ ñiện ð, cơ cấu truyền lực. Khối ñiều khiển bao gồm các cơ cấu ño lường, các bộ ñiều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị ñiều khiển ñóng cắt có tiếp ñiểm (các rơle, công tắc tơ) hay không có tiếp ñiểm (ñiện tử, bán dẫn). Một số hệ Tðð Tð khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự ñộng khác như máy tính ñiều khiển, các bộ vi xử lý, PLC... Các thiết bị ño lường, cảm biến (sensor) dùng ñể lấy các tín hiệu phản hồi có thể là các loại ñồng hồ ño, các cảm biến từ, cơ, quang... Một hệ thống Tðð không nhất thiết phải có ñầy ñủ các khâu nêu trên. Tuy nhiên, một hệ thống Tðð bất kỳ luôn bao: - Phần lực. - Phần ñiều khiển. Một hệ thống truyền ñộng ñiện ñược gọi là hệ hở khi không có phản hồi, và ñược gọi là hệ kín khi có phản hồi, nghĩa là giá trị của ñại lượng ñầu ra ñược ñưa trở lại ñầu vào dưới dạng một tín hiệu nào ñó ñể ñiều chỉnh lại việc ñiều khiển sao cho ñại lượng ñầu ra ñạt giá trị mong muốn. 1.1.2 Phân loại hệ thống truyền ñộng ñiện Người ta phân loại các hệ truyền ñộng ñiện theo nhiều cách khác nhau tùy theo ñặc ñiểm của ñộng cơ ñiện sử dụng trong hệ, theo mức ñộ tự ñộng hoá, theo ñặc ñiểm hoặc chủng loại thiết bị của bộ biến ñổi... Từ cách phân loại sẽ hình thành tên gọi của hệ. GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TðH _ Khoa ðiện 2 a) Theo ñặc ñiểm của ñộng cơ ñiện: - Truyền ñộng ñiện một chiều: Dùng ñộng cơ ñiện một chiều. Truyền ñộng ñiện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về ñiều chỉnh tốc ñộ và mômen, nó có chất lượng ñiều chỉnh tốt. Tuy nhiên, ñộng cơ ñiện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, hơn nữa nó ñòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do ñó trong những trường hợp không có yêu cầu cao về ñiều chỉnh, người ta thường chọn ñộng cơ KðB ñể thay thế. - Truyền ñộng ñiện không ñồng bộ: Dùng ñộng cơ ñiện xoay chiều không ñồng bộ. ðộng cơ KðB ba pha có ưu ñiểm là có kết cấu ñơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới ñiện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên, trước ñây các hệ truyền ñộng ñộng cơ KðB lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ KðB có khó khăn hơn ñộng cơ ñiện một chiều. Trong những năm gần ñây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật ñiện tử tin học, truyền ñộng không ñồng bộ phát triển mạnh mẽ và ñược khai thác các ưu ñiểm của mình, ñặc biệt là các hệ có ñiều khiển tần số. Những hệ này ñã ñạt ñược chất lượng ñiều chỉnh cao, tương ñương với hệ truyền ñộng một chiều. - Truyền ñộng ñiện ñồng bộ: Dùng ñộng cơ ñiện xoay chiều ñồng bộ ba pha. ðộng cơ ñiện ñồng bộ ba pha trước ñây thường dùng cho loại truyền ñộng không ñiều chỉnh tốc ñộ, công suất lớn hàng trăm KW ñến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máy nghiền.v.v..). Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp ñiện tử, ñộng cơ ñồng bộ ñược nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải công suất từ vài trăm W (cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển ñộng của tay máy, người máy) ñến hàng MW (cho các truyền ñộng máy cán, kéo tàu tốc ñộ cao...). b) Theo tính năng ñiều chỉnh: - Truyền ñộng không ñiều chỉnh: ðộng cơ chỉ quay máy sản xuất với một tốc ñộ nhất ñịnh. Các hệ truyền ñộng không ñiều chỉnh thường phải kết hợp với một hộp tốc ñộ ñể thực hiện ñiều chỉnh bằng cơ khí, do ñó kết cấu của phần cơ phức tạp, chất lượng ñiều chỉnh thấp, giá thành của máy sản xuất cao. - Truyền có ñiều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta có truyền ñộng ñiều chỉnh tốc ñộ, truyền ñộng ñiều chỉnh mômen, lực kéo và truyền ñộng ñiều chỉnh vị trí. c) Theo thiết bị biến ñổi: - Hệ máy phát - ñộng cơ (F-ð): ðộng cơ ñiện một chiều ñược cấp ñiện từ một máy phát ñiện một chiều (bộ biến ñổi máy ñiện). Thuộc hệ này có hệ máy ñiện khuếch ñại - ñộng cơ (MðKð - ð), ñó là hệ có BBð là máy ñiện khuếch ñại từ trường ngang. - Hệ chỉnh lưu - ñộng cơ (CL - ð): ðộng cơ một chiều ñược cấp ñiện từ một bộ chỉnh lưu (BCL). Chỉnh lưu có thể không ñiều khiển (ðiôt) hay có ñiều khiển (Thyristor)... - Hệ biến tần - ñộng cơ không ñồng bộ. d) Theo mức ñộ tự ñộng hóa: Ta có hệ truyền ñộng ñiện không tự ñộng và hệ truyền ñộng tự ñộng. GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TðH _ Khoa ðiện 3 Các hệ không tự ñộng thường là ñơn giản và ñược sử dụng cho bất kỳ ở ñâu nếu có thể ñược. Lúc ñó phần ñiện của hệ có thể chỉ có ñộng cơ ñiện không ñồng bộ và một vài khí cụ ñóng - cắt, bảo vệ như áptômát, khởi ñộng từ. Các hệ truyền ñộng tự ñộng là các hệ truyền ñộng ñiều chỉnh vòng kín có vài mạch phản hồi. Chất lượng ñiều chỉnh của các hệ này là rất cao, có thể ñáp ứng bất kỳ yêu cầu nào của quá trình công nghệ máy sản xuất. e) Một số cách phân loại khác: Ngoài các cách phân loại trên, còn có một số cách phân loại khác như truyền ñộng ñảo chiều và không ñảo chiều, truyền ñộng ñơn (nếu dùng một ñộng cơ) và truyền ñộng nhiều ñộng cơ (nếu dùng nhiều ñộng cơ ñể phối hợp truyền ñộng cho một cơ cấu công tác), truyền ñộng quay và truyền ñộng thẳng,... 1.2 §Æc tÝnh c¬ cña truyÒn ®éng ®iÖn 1.2.1 §Æc tÝnh c¬ cña c¬ cÊu s¶n xuÊt §Æc tÝnh c¬ biÓu thÞ mèi quan hÖ gi÷a tèc ®é quay vµ m«men quay: ω = f(M) hoÆc n = F(M) Trong ®ã: ω - Tèc ®é gãc (rad/s). n - Tèc ®é quay (vg/ph). M - M«men (N.m). §Æc tÝnh c¬ cña m¸y s¶n xuÊt lµ quan hÖ gi÷a tèc ®é quay vµ m«men c¶n cña m¸y s¶n xuÊt: Mc = f(ω). §Æc tÝnh c¬ cña m¸y s¶n xuÊt rÊt ®a d¹ng, tuy nhiªn phÇn lín chóng ®−îc biÕu diÔn d−íi d¹ng biÓu thøc tæng qu¸t:  ω   Mc = Mco + (M®m - Mco)   ω dm  q (1.1) Trong ®ã: Mc lµ m«men c¶n cña c¬ cÊu SX øng víi tèc ®é ω. Mco lµ m«men c¶n cña c¬ cÊu SX øng víi tèc ®é ω = 0. M®m lµ m«men c¶n cña c¬ cÊu SX øng víi tèc ®é ®Þnh møc ω®m ω q = -1 1 q=1 q=0 2 3 1: §Æc tÝnh c¬ øng víi q = -1. 4 q=2 ω®m 2: §Æc tÝnh c¬ øng víi q = 0. 3: §Æc tÝnh c¬ øng víi q = 1. 4: §Æc tÝnh c¬ øng víi q = 2. M Mco M c®m H×nh 1.3 - §Æc tÝnh c¬ cña c¬ cÊu s¶n xuÊt øng víi c¸c tr−êng hîp m¸y s¶n xuÊt kh¸c nhau. GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TðH _ Khoa ðiện 4 Ta cã c¸c tr−êng hîp sè mò q øng víi c¸c tr−êng hîp t¶i: q Mc 1 P (c«ng suÊt) -1 ~ 0 Const ~ω 1 ~ω ~ω2 2 ~ω2 ~ω3 ω Const Lo¹i t¶i øng víi tr−êng hîp ®Æc tÝnh c¬ cña c¬ cÊu m¸y quÊn d©y, cuèn giÊy, c¬ cÊu truyÒn ®éng chÝnh cña c¸c m¸y c¾t gät kim lo¹i nh− m¸y tiÖn. C¸c c¬ cÊu n©ng-h¹, b¨ng t¶i, m¸y n©ng vËn chuyÓn, truyÒn ®éng ¨n dao m¸y gia c«ng kim lo¹i. M¸y ph¸t ®iÖn mét chiÒu víi t¶i thuÇn trë. §Æc tÝnh c¬ cña c¸c m¸y thñy khÝ: b¬m, qu¹t, ch©n vÞt tµu thñy... 1.2.2 §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn lµ quan hÖ gi÷a tèc ®é quay vµ m«men cña ®éng c¬: ω=f(M). §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn chia ra ®Æc tÝnh c¬ tù nhiªn vµ ®Æc tÝnh c¬ nh©n t¹o. D¹ng ®Æc tÝnh c¬ cña mçi lo¹i ®éng c¬ kh¸c nhau th× kh¸c nhau vµ sÏ ®−îc ph©n tÝch trong ch−¬ng 2. §Æc tÝnh c¬ tù nhiªn: §ã lµ quan hÖ ω = f(M) cña ®éng c¬ ®iÖn khi c¸c th«ng sè nh− ®iÖn ¸p, dßng ®iÖn... cña ®éng c¬ lµ ®Þnh møc theo th«ng sè ®· ®−îc thiÕt kÕ chÕ t¹o vµ m¹ch ®iÖn cña ®éng c¬ kh«ng nèi thªm ®iÖn trë, ®iÖn kh¸ng... §Æc tÝnh c¬ nh©n t¹o: §ã lµ quan hÖ ω = f(M) cña ®éng c¬ ®iÖn khi c¸c th«ng sè ®iÖn kh«ng ®óng ®Þnh møc hoÆc khi m¹ch ®iÖn cã nèi thªm ®iÖn trë, ®iÖn kh¸ng... hoÆc cã sù thay ®æi m¹ch nèi. Ngoµi ®Æc tÝnh c¬, ®èi víi ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu ng−êi ta cßn sö dông ®Æc tÝnh c¬ ®iÖn. §Æc tÝnh c¬ ®iÖn biÓu diÔn quan hÖ gi÷a tèc ®é vµ dßng ®iÖn trong m¹ch ®éng c¬: ω = f(I) hay n = f(I). Trong hÖ T§§ bao giê còng cã qu¸ tr×nh biÕn ®æi n¨ng l−îng ®iÖn - c¬. ChÝnh qu¸ tr×nh biÕn ®æi nµy quyÕt ®Þnh tr¹ng th¸i lµm viÖc cña ®éng c¬ ®iÖn. Ng−êi ta ®Þnh nghÜa nh− sau: Dßng c«ng suÊt ®iÖn P®iÖn cã gi¸ trÞ d−¬ng nÕu nh− nã cã chiÒu truyÒn tõ nguån ®Õn ®éng c¬ vµ tõ ®éng c¬ biÕn ®æi c«ng suÊt ®iÖn thµnh c«ng suÊt c¬ Pc¬ = M.ω cÊp cho m¸y SX (sau khi ®· cã tæn thÊt ∆P). C«ng suÊt c¬ Pc¬ cã gi¸ trÞ d−¬ng nÕu m«men ®éng c¬ sinh ra cïng chiÒu víi tèc ®é quay, cã gi¸ trÞ ©m khi nã truyÒn tõ m¸y s¶n xuÊt vÒ ®éng c¬ vµ m«men ®éng c¬ sinh ra ng−îc chiÒu tè ®é quay. C«ng suÊt ®iÖn P®iÖn cã gi¸ trÞ ©m nÕu nã cã chiÒu tõ ®éng c¬ vÒ nguån. Tuú thuéc vµo biÕn ®æi n¨ng l−îng trong hÖ mµ ta cã tr¹ng th¸i lµm viÖc cña ®éng c¬ gåm: Tr¹ng th¸i ®éng c¬ vµ tr¹ng th¸i h·m. Tr¹ng th¸i h·m vµ tr¹ng th¸i ®éng c¬ ®−îc ph©n bè trªn ®Æc tÝnh c¬ ω(M) ë 4 gãc phÇn t− nh− sau: - ë gãc phÇn t− I, III: Tr¹ng th¸i ®éng c¬. - ë gãc phÇn t− II, IV: Tr¹ng th¸i h·m. GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TðH _ Khoa ðiện 5 ω II Tr¹ng th¸i h·m I Tr¹ng th¸i ®éng c¬ M® ω Mc Mc Pc = M®.ω < 0 ω M® Pc = M®.ω > 0 M Pc = M®.ω > 0 ω M® Mc III Tr¹ng th¸i ®éng c¬ Pc = M®.ω < 0 Mc ω M® IV Tr¹ng th¸i h·m H×nh 1.4 - C¸c tr¹ng th¸i lµm viÖc cña ®éng c¬ ®iÖn. 1.2.3 Sù phï hîp gi÷a ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn vµ ®Æc tÝnh c¬ cña c¬ cÊu s¶n xuÊt Trong hÖ thèng T§§, ®éng c¬ ®iÖn cã nhiÖm vô cung cÊp ®éng lùc cho c¬ cÊu s¶n xuÊt. C¸c c¬ cÊu s¶n xuÊt cña mçi lo¹i m¸y cã c¸c yªu cÇu c«ng nghÖ vµ ®Æc ®iÓm riªng. M¸y s¶n xuÊt l¹i cã rÊt nhiÒu lo¹i, nhiÒu kiÓu víi kÕt cÊu rÊt kh¸c biÖt. §éng c¬ ®iÖn còng vËy, cã nhiÒu lo¹i, nhiÒu kiÓu víi c¸c tÝnh n¨ng, ®Æc ®iÓm riªng. Víi c¸c ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu vµ xoay chiÒu th× chÕ ®é lµm viÖc tèi −u th−êng lµ chÕ ®é ®Þnh møc cña ®éng c¬. §Ó mét hÖ thèng T§§ lµm viÖc tèt, cã hiÖu qu¶ th× gi÷a ®éng c¬ ®iÖn vµ c¬ cÊu s¶n xuÊt ph¶i ®¶m b¶o cã mét sù phï hîp t−¬ng øng nµo ®ã. ViÖc lùa chän hÖ T§§ vµ chän ®éng c¬ ®iÖn ®¸p øng ®óng c¸c yªu cÇu cña c¬ cÊu s¶n xuÊt cã ý nghÜa lín kh«ng chØ vÒ mÆt kü thuËt mµ c¶ vÒ mÆt kinh tÕ. Do vËy, khi thiÕt kÕ hÖ thèng T§§, ng−êi ta th−êng chän hÖ truyÒn ®éng còng nh− ph−¬ng ph¸p ®iÒu chØnh tèc ®é sao cho ®−êng ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ cµng gÇn víi ®−êng ®Æc tÝnh c¬ cña c¬ cÊu s¶n xuÊt cµng tèt. NÕu ®¶m b¶o ®−îc ®iÒu kiÖn nµy, th× ®éng c¬ sÏ ®¸p øng tèt ®ßi hái cña c¬ cÊu s¶n xuÊt khi m«men c¶n thay ®æi vµ tæn thÊt trong qu¸ tr×nh ®iÒu chØnh lµ nhá nhÊt. GV: Lê Tiến Dũng _ Bộ môn TðH _ Khoa ðiện 6