Bài giảng Truyền động điện tự động - Chương 1: Khái niệm về hệ truyền động điện - Phạm Khánh Tùng

ới một tốc độ nhất định. 
 - Truyền động có điều chỉnh: 
 Theo cầu công nghệ sản xuất có thể có các hệ truyền động điều 
 chỉnh sau 
 + Truyền động điện điều chỉnh tốc độ 
 + Truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo 
 + Truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí 
 (Các hệ này có thể là hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ) 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 - Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển: Truyền động điện tự 
 động điều khiển số, truyền động điện tự động điều khiển tương 
 tự, truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình ... 
 - Theo đặc điểm truyền động: Truyền động điện tự động với 
 động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, 
 v.v. 
 - Theo mức độ tự động hóa: Truyền động không tự động và 
 truyền động điện tự động. 
 - Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo 
 chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v. 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 2. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 
 2.1. Đặc tính cơ của máy sản xuất 
 + Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay 
 và mômen cản: Mc = f(ω) 
 + Biểu thức tổng quát: 
 q
  
 Mc Mco (Mđm Mco ) 
 đm 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Khi q = –1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc 
 độ, tương ứng các cơ cấu máy tiện, 
 doa, máy cuốn dây, cuốn giấy... (1) 
 Đặc điểm: tốc độ làm việc càng thấp 
 thì mômen cản (lực cản) càng lớn. 
 Khi q = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các 
 cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, 
 băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, ... (2) 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Khi q = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc 
 độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy 
 bào, máy phát một chiều tải thuần trở (3) 
 Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, 
 tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy 
 gió, máy nén (4) 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác: 
 - Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f(φ) hoặc mômen phụ thuộc 
 vào đường đi Mc = f(s). Các máy công tác có pittông, các máy trục 
 không có cáp cân bằng có đặc tính thuộc loại này. 
 - Mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi Mc = f(ω,s) như 
 các loại xe điện. 
 - Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) như máy nghiền đá, 
 nghiền quặng. 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện 
 Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và 
 mômen của động cơ: M = f(ω) 
 + Động cơ điện một chiều kích từ song 
 song hay độc lập (1) 
 + Động cơ điện một chiều kích từ nối 
 tiếp hay hỗn hợp (2) 
 + Động cơ điện xoay chiều không 
 đồng bộ (3) 
 + Động cơ đồng bộ (4) 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Phân biệt hai loại đặc tính cơ của động cơ điện: 
 + Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo 
 sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác 
 và các thông số nguồn cũng như của động cơ là định mức. 
 Mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên. 
 + Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ 
 nhận được sự thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, 
 của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, hoặc sử 
 dụng các sơ đồ đặc biệt. 
 Mỗi động cơ có nhiều đường đặc tính cơ nhân tạo. 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 2.3. Độ cứng đặc tính cơ 
 + Độ cứng đặc tính cơ được dùng để đánh giá và so sánh các 
 đặc tính cơ. 
 M
 Độ cứng được định nghĩa:  
 
 M
 Đặc tính cơ tuyến tính:  
 
 *
 * dM
 Đặc tính cơ theo hệ đơn vị tương đối:  
 d*
 * *
 M M / Mđm;  /đm
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Tính theo đồ thị: 
 m
  M tg
 mω
 Trong đó: 
 mM – tỉ lệ xích của trục mômen 
 mω – tỉ lệ xích của trục tốc độ 
 γ – góc tạo thành giữa tiếp tuyến với 
 trục ω tại điểm xét của đặc tính cơ. 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Đặc điểm độ cứng đặc tính cơ của một số loại động cơ: 
 + Động cơ không đồng bộ: Độ cứng đặc tính cơ có giá trị thay 
 đổi phạm vi rộng (β > 0, β < 0) 
 + Động cơ đồng bộ: Đặc tính cơ tuyệt đối cứng (β ≈ ∞) 
 + Động cơ một chiều kích từ độc lập: 
 Độ cứng đặc tính cơ được gọi là cứng (β >= 40) 
 Độ cứng đặc tính cơ được gọi là mềm (β <= 10) 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 3. TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Trạng thái động cơ: 
 Dòng công suất điện (Pđiện ) có giá trị dương nếu như có chiều 
 truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất 
 điện thành công suất cơ: 
 Pcơ = M.ω 
 Công suất cơ cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ 
 cấu công tác của máy. 
 Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ 
 sinh ra cùng chiều với tốc độ quay. 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Trạng thái máy phát: 
 Khi hệ truyền động làm việc, trong một điều kiện nào đó, cơ cấu 
 công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng 
 hoặc thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về 
 trục động cơ, động cơ tiếp nhận năng lượng này và làm việc như 
 máy phát điện. 
 Công suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, 
 công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động 
 cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ TĐ: 
 Pđ Pc P
 - Trạng thái động cơ: chế độ có tải và chế độ không tải. Trạng thái 
 động cơ phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng ω(M) 
 - Trạng thái hãm: Hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược và hãm 
 động năng. Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng ω(M) 
 + Hãm tái sinh: Pđ < 0, Pc < 0, cơ năng → điện năng trả về lưới 
 + Hãm ngược: Pđ > 0, Pc < 0, điện năng + cơ năng → tổn thất ΔP 
 + Hãm động năng: Pđ = 0, Pc < 0, cơ năng → tổn thất ΔP 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 4. QUI ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG 
 4.1. Qui đổi mô men và lực 
 – Qui đổi mô men và lực thực chất là dời điểm đặt của mô men 
 hoặc lực từ trục này về trục khác trong hệ truyền động có xét đến 
 tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực. 
 – Qui đổi mô men và lực nhằm mục đích đơn giản hóa quá trình 
 tính toán, lựa chọn phần tử của hệ. 
 – Qui đổi thông dụng nhất thường là qui đổi mômen cản Mc, (hay 
 lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ. 
 – Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ 
 của hệ TĐĐTĐ 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Trường hợp năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất (trạng 
 thái làm việc) 
 Ptr Pc P
 Ptr – công suất trên trục động cơ, Ptr = Mc.qđ.ω (với Mc.qđ và ω là 
 mômen cản tĩnh (cơ) quy đổi (về trục động cơ) và tốc độ góc 
 trên trục động cơ). 
 Pc – công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv.ωlv (với Mlv và ωlv là 
 mômen cản và tốc độ góc trên trục làm việc) 
 ΔP – tổn thất trong các khâu cơ khí (hệ truyền lực) 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay: 
 Pc Mlvlv
 Ptr Mc.qđ
 i i
 Mlvlv Mlv lv Mlv
 Mc.qđ 
 i i  ii
 i – hiệu suất của hộp tốc độ 
 
 i – tỷ số truyền của hộp tốc độ. 
 lv
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực quy đổi: 
 F
 M lv
 c.qđ . 
  i.t – hiệu suất bộ truyền lực 
 t – hiệu suất của tang trống (chuyển đổi chuyển 
 động quay → tịnh tiến 
 
 – tỷ số quy đổi 
 vlv
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 4.2. Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính: 
 Điều kiện quy đổi: bảo toàn động năng tích luỹ trong hệ thống 
 n
 W Wi
 i 1
 Động năng của các dạng chuyển động 
 2
 Chuyển động quay: W J
 2
 v2
 Chuyển động tịnh tiến: W m
 2
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Sử dụng sơ đồ tính toán có phần cơ dạng đơn khối (với từng loại 
 chuyển động), và áp dụng các điều kiện trên ta có: 
 2 2 n 2 m 2
 đc đc i v j
 Jqđ Jđc Ji m j
 2 2 i 1 2 j 1 2
 2
 J đc – động năng của động cơ 
 đc 2
 n 2
 i
 Ji – động năng của các cơ cấu chuyển động quay 
 i 1 2
 m 2
 v j
 m j – động năng của các cơ cấu chuyển động tịnh tiến 
 j 1 2
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Biểu thức qui đổi quán tính: 
 n m
 Ji m j
 Jqđ Jđc  2  2
 i 1 ii j 1 j
 Jqđ - mômen quán tính quy đổi về trục động cơ. 
 ωđc - tốc độ góc trên trục động cơ. 
 Jđc - mômen quán tính của động cơ. 
 Ji - mômen quán tính của bánh răng thứ i. 
 mj - khối l-ợng quán tính của tải trọng thứ j. 
 ii = ω/ωi - tỉ số truyền tốc độ từ trục thứ i. 
 ρj = ω/vj - tỉ số quy đổi vận tốc của tải trọng. 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Ví dụ: Sơ đồ truyền động 
 của cơ cấu nâng, hạ: 
 4
 Ji m
 Jqđ Jđc  2 2
 i 1 ii 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 5. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Quan hệ giữa các đại lượng ω, n, J, M theo thời gian t, dạng tổng 
 quát của phương trình: 
 n d(J)
 Mi 
 i 1 dt
 Nếu coi mômen do động cơ sinh ra và mômen cản ngược chiều 
 nhau, và J = const, thì ta có phương trình dưới dạng số học theo 
 hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); ω(Rad/s); t(s) : 
 d
 M M J
 c dt
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Theo hệ đơn vị kỹ thuật: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s) 
 GD2 dn
 M M 
 c 375 dt
 Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s): 
 J dn
 M M 
 c 9,55 dt
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Mô men động của hệ 
 d
 M M M J
 đg c dt
 Các trường hợp của Mđg: 
 + Khi Mđg > 0 hay M > Mc , thì dω/dt > 0 → hệ tăng tốc. 
 + Khi Mđg < 0 hay M < Mc , thì dω/dt < 0 → hệ giảm tốc. 
 + Khi Mđg = 0 hay M = Mc , thì dω/dt = 0 → hệ làm việc ở chế độ 
 xác lập, hay hệ làm việc ổn định: ω = const. 
 Nếu chọn và lấy chiều của tốc độ ω làm chuẩn thì: 
 + Mô men động cơ: M(+) khi M ↑↑ω và M(-) khi M↑↓ω 
 + Mô men cản: Mc(+) khi Mc ↑↓ω và Mc(-) khi Mc ↑↑ω 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 6. ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Khi M = Mc thì hệ TĐĐ TĐ làm việc ở chế độ xác lập với điểm làm 
 việc là giao điểm của đặc tính cơ của động cơ điện ω(M) với đặc 
 tính cơ của máy sản suất ω(Mc). 
 Tuy nhiên không phải bất kỳ giao điểm nào của hai đặc tính cơ 
 trên cũng là điểm làm việc xác lập ổn định mà phải có điều kiện ổn 
 định, được gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động 
 cơ với tải. 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Để xác định điểm làm việc, dựa vào phương trình động học: 
 d M Mc 
 J ( x )
 dt x d x d x 
 Từ đây, điều kiện để ổn định tĩnh: 
 M M 
 c 0
 d x d x
 Hoặc biểu diễn dưới dạng độ cứng đặc tính cơ: 
  c 0
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Ví dụ: Xét hai điểm làm việc là giao 
 điểm của hai đường đặc tính cơ ω(M) 
 và ω(Mc): 
 Hai điểm làm việc A và B đều thỏa mãn 
 điều kiện Mđg = 0 → tốc độ hệ không đổi. 
 + Trường hợp A: β < βc (vì β < 0 và βc = 0 
 → xác lập ổn định. 
 + Trường hợp B: β > βc (vì β > 0 và βc = 0 
 → không ổn định. 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 7. ĐỘNG HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Trong hệ TĐĐ TĐ có cả các thiết bị điện + cơ, trong đó các bộ phận 
 cơ có nhiệm vụ chuyển cơ năng từ động cơ đến bộ phận làm việc 
 của máy sản xuất và tại đó cơ năng được biến thành công hữu ích. 
 Động cơ điện có cả phần điện (stato) và phần cơ (roto và trục). 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Phần cơ phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu và loại máy, với đặc điểm đa 
 dạng và phức tạp, bởi vậy phải đưa về dạng điển hình đặc trưng cho 
 các loại, phần cơ có dạng tổng quát đặc trưng đó gọi là mẫu cơ học 
 của truyền động điện. 
 Mẫu cơ học (đơn khối) : Mô tả bằng 
 một vật thể rắn quay xung quanh một 
 trục với tốc độ động cơ, nó có mômen 
 quán tính J, chịu tác động của mômen 
 động cơ (M) và mômen cản (Mc) 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Tính chất đàn hồi của hệ động học: 
 + Tính đàn hồi lớn cũng có thể xuất hiện ở những hệ thống có 
 mạch động học dài mặc dù trong đó không chứa một phần tử 
 đàn hồi nào. 
 + Sự biến dạng trên từng phần tử tuy nhỏ nhưng vì số phần tử 
 rất lớn nên đối với toàn máy nó trở nên đáng kể. 
 + Trong những trường hợp trên phần cơ khí của hệ không thể 
 thay thế tương đương bằng mẫu cơ học đơn khối mà phải thay 
 thế bằng mẫu cơ học đa khối 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Mẫu cơ học đa khối 
 Hệ chuyển động quay 
 Hệ chuyển động tịnh tiến 
 Hệ ruyền động có khâu cơ khí 
 đàn hồi và trục mềm 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 Câu hỏi ôn tập 
 1. Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống truyền động điện là gì ? 
 2. Có máy loại máy sản xuất và cơ cấu công tác ? 
 3. Hệ thống truyền động điện gồm các phần tử và các khâu nào ? 
 Lấy ví dụ minh họa ở một máy sản xuất mà các anh (chị) đã biết ? 
 4. Mômen cản hình thành từ đâu ? Đơn vị đo lường của nó ? Công 
 thức quy đổi mômen cản từ trục của cơ cấu công tác về trục động cơ? 
 5. Mômen quán tính là gì ? Đơn vị đo lường của nó ? Công thức tính 
 quy đổi mômen quán tính từ tốc độ ωi nào đó về tốc độ của trục động 
 cơ ? 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 6. Thế nào là mômen cản thế năng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ 
 thị theo tốc độ ? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản thế năng. 
 7. Thế nào là mômen cản phản kháng? Lấy ví dụ một cơ cấu có 
 mômen cản phản kháng. 
 8. Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất. Phương trình tổng quát 
 của nó và giải tích các đại lượng trong phương trình ? 
 9. Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện; cần trục, 
 máy bào, máy bơm. 
 10. Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện có phần 
 cơ dạng mẫu cơ học đơn khối và giải thích các đại lượng trong 
 phương trình ? 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 11. Dùng phương trình chuyển động để phân tích các trạng thái làm 
 việc của hệ thống truyền động tương ứng với dấu của các đại lượng 
 M và Mc ? 
 12. Định nghĩa đặc tính cơ của động cơ điện ? 
 13. Định nghĩa độ cứng đặc tính cơ ? Có thể xác định độ cứng đặc 
 tính cơ theo những cách nào ? 
 14. Phân biệt các trạng thái động cơ và các trạng thái hãm của động 
 cơ điện bằng những dấu hiệu nào ? Lấy vị dụ thực tế về trạng thái 
 hãm của động cơ trên một cơ cấu mà anh (chị) đã biết ? 
 15. Chiều của dòng năng lượng sẽ nh- thế nào khi động cơ làm việc 
 ở trạng thái động cơ ? 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
 16. Chiều của dòng năng lượng sẽ như thế nào khi động cơ làm việc 
 ở trạng thái máy phát ? 
 17. Điều kiện ổn định tĩnh là gì ? Phân tích một điểm làm việc xác lập 
 ổn định tĩnh trên tọa độ [M, ω] và [Mc, ω]. 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN