Bài giảng Truyền động điện - Chương 1: Những khái niệm cơ bản

Nội dung text: Bài giảng Truyền động điện - Chương 1: Những khái niệm cơ bản

1. CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1
2. Giới 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 2
3. Giới thiệu tổng quan Tỉ lệ động cơ DC & động cơ AC trong các ứng dụng TĐĐ 3
4. Giới thiệu tổng quan Công suất (kW) Bơm nước (Thủy điện tích Nhà máy cement, năng) Máy nghiền Bơm ly tâm Máy bơm Máy làm giấy Xe điện Máy luyện Quạt gió Cầu trục kim Thang máy Máy trộn Máy in Băng chuyền Máy dệt Robot Máy sưởi, Máy đóng gói Quạt thông gió Máy công cụ hệ thống điều hòa Trung bình Cao Chất lượng đáp ứng Ứng dụng của hệ thống TĐĐ có điều khiển tốc độ 4
5. Một số bộ điều khiển động cơ công nghiệp Bộ điều khiển động cơ DC (ABB) 5
6. Một số bộ điều khiển động cơ công nghiệp Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ (Hitachi) 6
7. Một số bộ điều khiển động cơ công nghiệp Bộ khởi động mềm (Softstarter) 7
8. Ví dụ: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần điều khiển bơm nước Van tiết lưu Bộ điều Động khiển tốc độ Nguồn cơ Nguồn + lưới lưới Động cơ Bơm Bơm a. Hệ thống bơm kiểu truyền thống b. Hệ thống bơm có điều chỉnh tốc độ Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ của hệ thống bơm khi điều chỉnh lưu lượng bằng bộ điều khiển tốc độ động cơ thay cho van tiết lưu 8
9. Ví dụ: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần điều khiển bơm nước Tổn hao trên Tổn hao trên bơm Nhà Động cơ máy & nhiệt Tổn hao Van tiết lưu điện truyền tải Tổn hao 9
10. Ví dụ: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần điều khiển bơm nước Nhà máy Bơm nhiệt điện Hệ thống Hệ thống TĐĐ Truyền tải Bộ BT 10
11. Ví dụ: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần điều khiển quạt làm mát nước giải nhiệt Nước làm mát BBT Bộ biến tần (BBT) điều khiển tốc độ quạt của tháp giải nhiệt 11
12. Sơ đồ khối tổng quát hệ thống TĐĐ Mạch động Động Nguồn Tải lực cơ Khối điều Khối khiển hồi tiếp Tín hiệu đặt 12
13. Một số định nghĩa • Đặc tính cơ: quan hệ M() • Đặc tính cơ tự nhiên • Đặc tính tốc độ: quan hệ I()   M Đặc tính cơ động cơ DC kích từ độc lập M Đặc tính cơ động cơ KĐB 13
14. Phương trình momen cơ bản Phương trình động học tổng quát của hệ thống truyền động điện: d MMJ=+ c dt ▪ J : Momen quán tính của hệ thống d ▪ J : momen động, chỉ xuất hiện trong quá trình quá độ dt ▪ MM c : hệ thống tăng tốc ▪ MM c : hệ thống giảm tốc ▪ MM= c : hệ thống ở trạng thái xác lập M M  c Động Tải cơ 14 J
15. Phương trình momen cơ bản Phương trình tổng quát biểu diễn momen cản: 2 MMBMCMBc= t + + ms− C +  t +  ▪ M t : Momen cơ do yêu cầu của tải ▪ B : Momen ma sát nhớt (viscous friction) ▪ M ms− C : Momen ma sát khô (Coulomb friction) M M  c Động Tải cơ 15 J
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 ) 16
17. Đặc tính cơ một số loại tải    Pc1 Pc2 Mc Mc Mc Tải bơm, quạt gió Tải động cơ xe điện Tải máy cuộn (tôn, giấy )  Tốc độ Tốc độ thấp cao Mc Mc Tải máy xúc Tải máy nâng (thang máy, bộ 17 phận nâng hạ cẩu trục )
18. Khâu cơ khí quy đổi của TĐĐ Mlv lv Mc M  M  Động Động Bộ giảm tốc Tải Tải cơ cơ (Flv vlv) 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 18
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 MM M  ==LV LV LV c i M =M LV c i  Trong đó : tỉ số truyền : i = LV Mlv lv Mc M  M  Động Động Bộ giảm tốc Tải Tải cơ cơ (Flv vlv) J 19
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 Fv M  = LVLV c  F =M LV c  v Trong đó : bán kính quy đổi : = LV  Mlv lv Mc M  M  Động Động Bộ giảm tốc Tải Tải cơ cơ (Flv vlv) J 20
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 22nm 2 v2 JJJm=++ i j 2222 mij  ij==11 nmJ J =++ Jm i 2 mj j2 ij==11ii ▪ Jm : momen quán tính của động cơ, ▪ Ji : momen quán tính phần tử quay thứ i, ▪ m j : 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 21
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 22
23. Ví dụ: Quy đổi hệ thống truyền động thang máy về trục động cơ d = 7.5 rad/s V = 1m/s V = 1m/s r = 2.5 rad/s mđt = 800kg  = 162.24rad/s Bánh Động cơ Đối trọng đà 23
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 n 2. .1550  =dm = =162.22rad / s 60 60 Momen quán tính của hệ thống quy về trục động cơ tính như sau : Gọi J r là momen quán tính của các phần chuyển động quay quy đổi về trục động cơ :  2  2 JJJJJJJ= + + +() +r + d r 1 2 3 4 522 6 2.522 7.5 J=15 + 8 + 2 + (0.5 + 200) + 8 = 25.062 kgm2 r 162.2222 162.22 24
25. Ví dụ: Quy đổi hệ thống truyền động thang máy về trục động cơ Gọi J c là momen quán tính của cabin và đối trọng quy đổi về trục động cơ : v221 J=( m + m ) = (1200 + 800) = 0.0724 kgm2 l c dt 22166.22 Momen quán tính toàn bộ hệ thống truyền động cơ khí quy đổi về trục động cơ : 2 J= Jrl + J =25.062 + 0.0724 = 25.135 kgm 25
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 : Mcc  = m g v m g v 1200 9.81 1 M=c = = 90.71 Nm c . 162.22 0.8 Công suất cần thiết của động cơ : Pcc= M =90.71  162.22 = 14715 W = 14.715 kW Khi có đối trọng : Mc. .=− ( m c m dt ). g . v m g v (1200− 800)  9.81  1 M=c = = 30.71 Nm c . 162.22 0.8 Công suất cần thiết của động cơ : Pcc= M =30.71  162.22 = 4905 W = 4.905 kW 26
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:  dM c dM − 0 Mc1 dd A Ví dụ: Xét các điểm làm việc ở B hình bên. Mc2 Điểm làm việc: C • A, C: ổn định, • B: không ổn định M 27
28. Chế độ làm việc của động cơ  Chế độ hãm II I Chế độ động cơ P = M P = M M  M  Động Tải Động Tải cơ cơ M M  M  Động Tải Động Tải cơ cơ P = M P = M Chế độ động cơ III IV Chế độ hãm 28 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 Pd Công suất động cơ sinh ra: PMc =  Động cơ có thể làm việc ở : ▪ Chế độ động cơ : Pdc 0 v à P 0 ▪ Chế độ hãm : - Hãm tái sinh : Pdc 0 v à P 0 - Hãm ngược : Pdc 0 v à P 0 - Hãm động năng : Pdc= 0 v à P 0 29
30. TÓM TẮT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐTCS THÔNG DỤNG 30
31. Diode Điện áp khóa ngược Vđm Miền a. Ký hiệu khóa ngược b. Đặc tuyến c. Đặc tuyến lý tưởng 31
32. Thyristor (SCR) Dẫn Tắt→Dẫn khi có xung kích i Miền G khóa Tắt ngược Điện áp Điện áp khóa khóa a. Ký hiệu ngược thuận b. Đặc tuyến Dẫn Tắt→Dẫn Miền khóa Miền khóa ngược thuận 32 c. Đặc tuyến lý tưởng
33. BJT (Bipolar Junction Transistor) Dẫn TTắắt t a. Ký hiệu b. Đặc tuyến c. Đặc tuyến lý tưởng BJT loại NPN 33
34. BJT (Bipolar Junction Transistor) Transistor ghép Darlington 34
35. MOSFET Dẫn Dẫn Tắt Tắt a. Ký hiệu b. Đặc tuyến c. Đặc tuyến lý tưởng MOSFET kênh N 35
36. GTO (Gate Turn-Off Thyristor) Dẫn Dẫn Tắt Tắt c. Đặc tuyến lý tưởng a. Ký hiệu b. Đặc tuyến GTO (Gate-Turn Off) 36
37. GTO (Gate Turn-Off Thyristor) Mạch đệm (snubber) để giảm dv/dt khi tắt dòng Mạch kích a. GTO và mạch đệm b. Chuyển trạng thái dẫn → tắt của GTO 37
38. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 38
39. MCT (MOS-Controlled Thyristor) 39
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 40
41. Khả năng tải & đóng cắt của các linh kiện ĐTCS hiện nay 41
42. BÀI TẬP 42
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. 43
44. Bài tập Hệ thống động cơ + bộ biến đổi có đặc tính cơ cho bởi hệ thức: M=− a b . 2 Tải của động cơ có đặc tính cơ: Mcc =  . 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. 44