Giáo trình cơ sở TRUYỀN ĐỘNG điện

Chöông 1 KHAÙI QUAÙT CHUNG VEÀ HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1 1 Cấu trúc và phân loại hệ truyền động điện 1 1 1 Cấu trúc chung của hệ truyền động điện a Khái niệm về hệ truyền động điện Truyền động điện là một dạng truyền động trong đó sử dụng năng lượng điện để biến đổi thành cơ năng cung cấp cho các máy sản xuất hay dây truyền sản xuất Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như Thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, thiết b.

Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1 Cấu trúc và phân loại hệ truyền động điện

1.1.1 Cấu trúc chung của hệ truyền động điện

a Khái niệm về hệ truyền động điện:

- Truyền động điện là một dạng truyền động trong đó sử dụng nănglượng điện để biến đổi thành cơ năng cung cấp cho các máy sản xuất hay dâytruyền sản xuất

- Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: Thiết bị điện,thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, thiết bị cơ khí, thủy lực phục vụ cho việc biếnđổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sảnxuất, đồng thời có thể điều khiển dòng năng lượng đó theo yêu cầu công nghệcủa máy sản xuất

Xét sơ đồ truyền động điện của máy bơm nước (hình 1.1): Động cơđiện Đ biến đổi điện 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 sảnxuất (CCSX), nó chịu tác động của nước tạo ra mômen MCT ngược chiều tốc

độ quay  của trục, chính mômen này tác động lên trục động cơ ta gọi làmômen cản MC Nếu MC cân bằng với mômen động cơ M = MC thì hệ sẽ cóchuyển động ổn định với tốc độ quay không đổi  = const

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống truyền động điện máy bơm nước

b Cấu trúc chung của hệ truyền động điện:

Sơ đồ cấu trúc chung của hệ truyền động điện được trình bày như trênhình 1.2

Các bộ biến đổi thường dùng trong hệ TĐĐ:

+ BBĐ 1 chiều: Khuếch đại từ, bộ biến đổi van thiristor, hệ thống F–Đ+ BBĐ xoay chiều: Cuộn kháng bão hòa, bộ biến đổi tần số dùng vanbán dẫn (bộ biến tần tĩnh), máy biến tần,…

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện

1- Khối nguồn; 2- Bộ biến đổi nguồn; 3- Động cơ thừa hành

4- Cơ cấu truyền động; 5- Cơ cấu sản xuất; 6- Khối điều khiển

- Động cơ truyền động (động cơ chấp hành): Dùng để biến đổi điệnnăng thành cơ năng hoặc cơ năng thành điện năng (khi hãm) cung cấp chomáy công tác Động cơ thừa hành dùng trong các hệ truyền động điện baogồm các loại:

+ Động cơ điện một chiều: Kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗnhợp Thông dụng nhất trong các hệ TĐĐ là động cơ kích từ song song và hỗnhợp

+ Động cơ điện xoay chiều: Động cơ KĐB 1 pha, 3 pha rôto lồng sóchay rôto dây quấn nhiều cấp tốc độ; động cơ đồng bộ (ít dùng)

- Cơ cấu truyền động: Dùng để truyền lực từ động cơ thừa hành đến cơcấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi chuyển động (từ quay sang tịnh tiến haylắc) cũng như để biến đổi về mặt mômen, tốc độ, lực Các cơ cấu truyền độnggồm: Bộ truyền động bánh răng, trục vít, xích, đai, các bộ li hợp cơ hoặc điệntừ,…

- Cơ cấu sản xuất: Là cơ cấu nhận năng lượng mà động cơ thừa hànhtruyền cho để thực hiện một nhiệm vụ sản xuất nào đó như: Chân vịt dùng đểđẩy tàu, cơ cấu nâng hạ để làm hàng, tời neo để neo tàu, bơm, quạt gió, máynén khí,…

Phần điều khiển: Gồm các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi điện,động cơ thừa hành, cơ cấu truyền động như: Các cơ cấu đo lường (các đồng

hồ đo, các cảm biến); các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ; các khí cụ,thiết bị đóng ngắt có tiếp điểm (cầu dao, rơle, công tắc tơ, áptômát,…) haykhông có tiếp điểm (bộ đóng ngắt mạch hay điều khiển bằng bóng điện tử,van bán dẫn); các khí cụ bảo vệ (cầu chì, áptômát, rơle nhiệt…)

Trong các hệ TĐĐ hiện đại có khả năng thực hiện các chức năng điềukhiển, điều chỉnh, kiểm tra và bảo vệ một cách tự động và từ xa đang ứngdụng rộng rãi công nghệ vi xử lí, vi điều khiển, PLC, máy tính

Một điểm cần chú ý là trong thực tế, cấu trúc các hệ truyền động điệnkhông nhất thiết và không phải hệ truyền động điện nào cũng có đầy đủ cácthành phần như trên Tùy thuộc vào chức năng, lĩnh vực ứng dụng, điều kiệnkhai thác và các yêu cầu công nghệ để thiết kế các hệ truyền động điện chophù hợp

Một hệ TĐĐ có thể là hệ thống hở (khi không có cơ cấu phản hồi) hay

hệ thống kín (khi có khâu phản hồi) Xét về cấu trúc thì hệ thống kín có cấutrúc phức tạp hơn nhưng ngược lại nó đáp ứng được các yêu cầu công nghệnhư mức độ tự động hóa cao, khả năng điều khiển, điều chỉnh với độ chínhxác cao, ….nâng cao được năng suất và chất lượng sản phẩm

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện

Có nhiều cách phân loại hệ thống TĐĐ:

a Theo đặc điểm động cơ thừa hành:

- TĐĐ 1 chiều: Dùng động cơ điện 1 chiều TĐĐ 1 chiều sử dụng chocác máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen, nó có chất lượngđiều chỉnh tốt, tuy nhiên cấu tạo phức tạp, giá thành cao, làm việc ít tin cậy

- TĐĐ xoay chiều: Sử dụng các loại động cơ KĐB hoặc ĐB thường là

3 pha

+ Động cơ KĐB 3 pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo,vận hành an toàn, tin cậy, sử dụng điện trực tiếp từ lưới, tuy nhiên nó khókhăn hơn trong việc điều chỉnh tốc độ, chất lượng điều chỉnh kém (tốc độnhảy bậc) so với động cơ điện 1 chiều

+ Động cơ ĐB 3 pha ít được sử dụng trong các hệ TĐĐ thông thường.

Nó chỉ dùng ở một số lĩnh vực chuyên dụng không điều chỉnh tốc độ, vớicông suất lớn (hàng trăm KW đến hàng MW) như truyền động điện cho bơm,quạt gió, máy nén khí, máy nghiền, cơ cấu ăn dao của máy cắt gọt kim loại,rôbốt …

b Theo tính năng điều chỉnh:

- Hệ TĐĐ không điều chỉnh: Thường chỉ có một động cơ nối trực tiếpvới lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định

- Hệ TĐĐ có điều chỉnh: Trong loại này, tùy thuộc vào yêu cầu côngnghệ mà ta có các hệ truyền động có điều chỉnh như sau:

c Theo thiết bị biến đổi:

Tùy thuộc vào từng loại bộ biến đổi được sử dụng mà ta có các hệtruyền động điện như sau:

Đối với hệ truyền động một chiều:

- Hệ máy phát - động cơ (F – Đ): Máy phát F có thể là máy phát điệnmột chiều, máy khuếch đại điện từ trường ngang

- Hệ chỉnh lưu - động cơ: Động cơ điện 1 chiều được cấp nguồn từ bộchỉnh lưu có thể là hệ thống van thiristor, điốt,…

- Hệ máy phát xung – động cơ: Động cơ điện một chiều được cấpnguồn nhờ một bộ băm xung nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phươngpháp giảm điện áp đặt vào phần ứng

Đối với hệ truyền động xoay chiều:

- Hệ biến tần – động cơ: Sử dụng bộ biến tần để điều chỉnh tần sốnguồn điện cấp cho động cơ không đồng bộ Hệ này còn được gọi là hệ điềutốc biến tần

- Hệ biến áp – động cơ: Sử dụng máy biến áp để điều chỉnh điện ápcung cấp cho động cơ không đồng bộ Hệ này còn được gọi là hệ điều tốcbiến áp…

Ngoài ra còn một số cách phân loại khác như: Hệ TĐĐ không đảochiều quay, đảo chiều quay; TĐĐ đơn (dùng 1 động cơ thừa hành), TĐĐ képnhiều động cơ; hệ truyền động quay và hệ truyền động thẳng,…

1.2 Khái niệm chung về đặc tính cơ

1.2.1 Khái niệm

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômencủa động cơ:

 = f(M) hoặc n = f(M)Tương tự như vậy ta có khái niệm về đặc tính cơ của máy sản xuất làquan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản do máy sản xuất sinh ra trong quátrình làm việc:

 = f(Mc) hoặc n = f(Mc)Đặc tính cơ cũng có thể biểu diễn dưới dạng hàm ngược:

M = (); Mc = ()Hàm thuận  = f(M) và c = f(Mc) được sử dụng thuận tiện trong đánhgiá chất lượng tĩnh của hệ thống, còn các hàm ngược được sử dụng trong tínhtoán giải tích

Đặc tính cơ thường có 2 loại chính:

- Đặc tính cơ tĩnh

- Đặc tính cơ động

Quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ ở mọi trạng thái làm việckhông xác lập gọi là đặc tính cơ động Nó là quỹ tích của những điểm nằmtrong mặt phẳng [M, ] trong thời gian của quá trình quá độ Nó còn được gọi

là quỹ đạo pha của hệ

Đặc tính cơ tĩnh là quỹ tích của những điểm trong mặt phẳng [M, ],ứng với những trạng thái làm việc xác lập của hệ

Đặc tính cơ tĩnh dùng để phân tích quá trình làm việc của hệ ở trạngthái xác lập

Đặc tính cơ động dùng để phân tích quá trình làm việc của hệ ở trạngthái quá độ Nó cho biết máy điện phải trải qua trong quá trình quá độ vànhững chỉ tiêu chất lượng của hệ

Ngoài đặc tính cơ, người ta còn sử dụng đặc tính cơ điện Đặc tính cơđiện của động cơ là quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động lựccủa động cơ gọi là đặc tính cơ điện  = f(I)

Đặc tính cơ điện cho phép người ta đánh giá mức độ chịu tải của động

cơ về mặt dòng điện, từ đó xác định được các thông số cần thiết của động cơ

về phát nóng, chuyển mạch, bảo vệ v.v

Hình 1.3: Các đặc tính cơ của một số máy điện

1- Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ2- Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập3- - Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp4- Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Đối với động cơ điện, đặc tính cơ và đặc tính cơ điện còn được phân rahai loại là đặc tính tự nhiên và đặc tính nhân tạo

- Đặc tính tự nhiên  = f(M) hoặc  = f(I) là đường đặc tính ứng với chế độđịnh mức của động cơ (các thông số của nguồn như điện áp, dòng điện, tần số, từthông là định mức; sơ đồ đấu dây bình thường và không dùng thêm phần tử phụnào (như điện trở phụ, điện kháng)

- Đặc tính nhân tạo  = f(M) hoặc  = f(I) là đường đặc tính ứng vớichế độ làm việc của động cơ khi ta thay đổi riêng rẽ hoặc đồng thời các thông

số nguồn điện cung cấp, các thông số của động cơ, thay đổi cách đấu dâyhoặc dùng thêm các phần tử phụ

1.2.2 Độ cứng của đặc tính cơ

Độ cứng của đặc tính cơ biểu thị mức độ thay đổi của tốc độ khimômen thay đổi Khi mômen thay đổi trong phạm vi xác định, nếu tốc độthay đổi càng ít thì đặc tính càng cứng

Độ cứng của đặc tính cơ được đánh giá bởi hệ số  (xem hình 1.4):

- Trường hợp đặc tính cơ có dạng tuyến tính:

(1-1)

- Trường hợp đặc tính cơ phi tuyến: Độ cứng được xác định theo tangcủa góc lệch giữa tiếp tuyến của đặc tính cơ tại điểm xét (A) với trục tốc độtheo chiều dương như hình 1.4b

 lớn, ta có đặc tính cơ cứng,  nhỏ đặc tính cơ mềm,    ta có đặctính cơ cứng tuyệt đối

Để dễ phân biệt, đối với động cơ ta dùng ký hiệu , còn đối với máysản xuất ta dùng ký hiệu c

Xét theo dấu của hệ số độ cứng người ta chia ra thành 2 đoạn cơ bản:đoạn  âm gọi là đoạn làm việc ổn định, đoạn có  dương gọi là đoạn làmviệc không ổn định

Hình 1.4: Cách xác định độ cứng đặc tính cơ

1.2.3 Đặc tính cơ của máy sản xuất

Thực tế có rất nhiều loại máy sản xuất, đặc tính cơ của chúng có rấtnhiều loại, nhiều dạng khác nhau Tuy vậy chúng vẫn có thể được biểu diễnbằng biểu thức tổng quát sau đây:

(1-3)

Trong đó:

Mc - mômen cản của máy sản xuất ứng với tốc độ c nào đó

Mco - mômen cản của máy sản xuất ứng với c = 0

Mcđm - mômen cản định mức ứng với tốc độ quay định mức đm

x - những số tự nhiên đặc trưng cho từng dạng đặc tính có củamáy sản xuất

Sau đây ta xét các dạng đặc tính cơ của một số máy sản xuất ứng vớicác giá trị của x (xem hình 1.5)

- Ứng với x = 0: Mc = const, đặc tính cơ của máy sản xuất có dạng nhưđường 1 Ở đây c = 0 đó là đặc tính cơ của các cơ cấu nâng hạ hàng (như tời,cần trục, cầu trục v.v.v ), các băng chuyền, chuyển động ăn dao của máy cắtkim loại

- Ứng với x = 1: Mc tỉ lệ bậc nhất với tốc độ: Đặc tính cơ có dạng nhưđường 2 Ở đây c không đổi, luôn luôn dương đó là mômen cản do ma sátsinh ra

- Ứng với x = 2: Mc tỉ lệ bậc hai với tốc độ, đặc tính cơ có dạng nhưđường 3 Ở đây c biến đổi, luôn luôn dương đó là mômen cản sinh ra trên cáctrục bơm ly tâm, quạt gió v.v

- Ứng với x = 3: Mc tỉ lệ bậc ba với tốc độ, đồ thị đặc tính cơ có dạngnhư đường số 5, đặc trưng ở tải tác dụng trên trụ bánh lái

- Ứng với x = -1: Mc tỉ lệ nghịch với tốc độ, đặc tính cơ có dạng nhưđường 4 Ở đây c biến đổi và luôn luôn âm Đặc trưng cho dạng này làtruyền động chính của máy cắt kim loại như máy tiện, máy khoan, máy bào,máy phay và mômen do ma sát nhớt sinh ra phụ thuộc tốc độ quay

Hình 1.5: Dạng đặc tính cơ của một số máy sản xuất

Ngoài ra, còn một số cơ cấu của các máy công tác có đặc tính khác, ví

dụ như:

- Mômen cản phụ thuộc vào góc quay Mc = f() hoặc mômen phụ thuộcvào đường đi Mc = f(s) Trong thực tế các máy công tác có pistông, các máytrục không có cáp cân bằng có đặc tính thuộc loại này

- Mômen cản phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi Mc = f(, s) nhưcác loại xe điện

- Mômen cản phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t), ví dụ như máy nghiền

đá, quặng Ở phụ tải loại này, người ta phân ra các loại là phụ tải dài hạn, phụtải ngắn hạn, phụ tải ngắn hạn lặp lại, phụ tải biến đổi hay phụ tải không đổi,

…

- Mômen cản phản kháng, luôn có chiều chống lại chiều quay của động

cơ như mômen ma sát, mômen của cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại,…

- Mômen cản thế năng có đặc tính cơ Mc = const và không phụ thuộcvào chiều quay, ví dụ như ở cơ cấu nâng hạ hàng Khi nâng hàng, mômen cản

có tác dụng cản trở chuyển động còn khi hạ hàng thì nó có tác dụng hỗ trợchuyển động

1.3 Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện

1.3.1 Quy ước xét dấu mômen và tốc độ quay của động cơ

Trong tính toán và đánh giá các trạng thái làm việc của động cơ điện,

để thuận lợi ta quy ước dấu của các đại lượng vật lý là mômen và tốc độ quaynhư sau (được gọi là quy tắc xét dấu phù hợp với chuyển động):

- Mômen quay của động cơ M hướng theo chiều quay của truyền độngmang dấu dương, ngược lại mang dấu âm

không kể động cơ quay theo chiều nào

- Dấu của mômen cản trên trục động cơ (MC) được xác định ngược lại

so với dấu của mômen quay của động cơ

- Dấu của dòng công suất điện: Công suất điện Pđiện có giá trị dươngnếu như nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi côngsuất điện thành công suất cơ Pcơ = M. cung cấp cho máy sản xuất Ngược lại,công suất điện mang dấu âm nếu nó có chiều từ động cơ trả về nguồn

- Dấu của dòng công suất cơ: Pcơ = M. có giá trị dương nếu nhưmômen động cơ sinh ra có cùng chiều với tốc độ quay và ngược lại công suất

cơ sẽ có giá trị âm

Tuy nhiên với quy ước dấu nêu trên có thể sẽ khác với quy ước đượcbiểu diễn trên các đường đặc tính cơ hay trên các đồ thị thời gian của động cơnếu sự quy ước đó không đồng nhất với nó Ví dụ quy ước chiều tiến –dương, lùi – âm; nâng – dương, hạ – âm;…

1.3.2 Các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện

Phương trình cân bằng công suất của hệ truyền động là:

Trong đó:

- Pđt là công suất điện từ của động cơ

- Pcơ là công suất cơ lấy ra trên trục động cơ

- P là tổn thất công suấtTùy thuộc vào quá trình biến đổi năng lượng trong hệ truyền động điện

mà ta có các trạng thái làm việc của động cơ gồm: Trạng thái động cơ vàtrạng thái hãm (hình 1.6)

Từ quy tắc nêu trên ta xét dấu của dòng công suất điện từ và công suất

cơ của động cơ ở các chế độ khác nhau: Pđt = M1; Pcơ = M

Hình 1.6: Trạng thái làm việc của truyền động điện

- Chế độ động cơ: Pđt > 0; Pcơ > 0: Chiều mômen M và chiều quay Error! Not a valid link. cùng chiều nhau, tương ứng máy làm việc ở chế độ động cơ Nhưvậy dòng công suất sẽ truyền từ nguồn đến động cơ để tạo công suất cơ laimáy công tác

- Chế độ hãm: Pcơ < 0: Chiều mômen M và chiều quay Error! Not a valid link. ngược nhau, tương ứng với chế độ hãm (chế độ máy phát của động cơ).

Có các trạng thái hãm sau đây:

- Hãm tái sinh: Pđt < 0

- Hãm ngược: Pđt > 0

- Hãm động năng: Pđt = 0

1.4 Quy đổi các khâu cơ khí của truyền động điện về trục động cơ

Như đã trình bày, ở trên phần cơ của TĐĐ bao gồm một số khâu và cóthể có rất nhiều phần tử chuyển động với những tốc độ khác nhau trong một

sơ đồ động học phức tạp Ví dụ như cơ cấu nâng hạ hàng có sơ đồ động họcnhư hình 1.7

Hình 1.7: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ hàng

1- Động cơ điện; 2- Hộp tốc độ; 3- Tang quay; 4- Tải trọng

Trong sơ đồ động học trên ta thấy động cơ điện, các bánh răng, tangquay có chuyển động quay với các tốc độ khác nhau, có mômen quán tính Jkhác nhau và mômen quay khác nhau Tải trọng G có chuyển động tịnh tiếnvới vận tốc dài v, khối quán tính m, lực cản F

Các mômen và các lực tác dụng vào hệ thống có những điểm đặt khácnhau Vì vậy muốn tính chọn được công suất của động cơ, viết phương trìnhcân bằng lực hay cân bằng mômen của toàn hệ, khảo sát sự chuyển động, cáctrạng thái làm việc của hệ chỉ trên phần cơ khí của động cơ thì ta phải tínhquy đổi tất cả các đại lượng cơ học như mômen, lực, mômen quán tính J, khốiquán tính m của các phần tử cơ khí khác nhau về trục động cơ

Từ sơ đồ động học ta gọi:

- Pđ, Mđ, Jđ, đ lần lượt là công suất cơ lấy ra trên trục động cơ thừahành, Mômen quay (nếu bỏ qua các tổn hao thì nó bằng mômen điện từ),mômen quán tính và tốc độ góc quay của động cơ thừa hành.

- i là tỷ số bộ truyền động

-  là hiệu suất truyền động của cả hệ truyền động ( = t.i…)

- Pc, Mc, c lần lượt là công suất, mômen tải tĩnh và tốc độ góc quaycủa tải trọng đã được quy đổi về trục động cơ thừa hành

Nguyên tắc của tính toán quy đổi là bảo đảm năng lượng của hệ trước

và sau quy đổi không thay đổi Năng lượng đó có thể biểu thị dưới dạng côngsuất hoặc động năng

Sau đây dựa vào sơ đồ động học trên hình 1.7 để ta tính toán quy đổicác đại lượng mômen cản, lực cản, mômen quán tính của phụ tải về trục độngcơ

1.4.1 Quy đổi mômen cản M c về trục động cơ

Từ sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ hàng ta nhận thấy công suất củatải quy đổi về trục động cơ Pc sẽ bằng tổng công suất của máy (tang quay) Pt

và sự hao tổn năng lượng trong quá trình truyền động Đặc trưng sự hao tổnnăng lượng là hiệu suất truyền động 

Ta có thể viết:

Vì P = M nên (1-5) có thể viết:

(1-6)Chia cả 2 vế của (1-6) cho c ta được:

(1-7)Trong đó: - tỷ số truyền động

1.4.2 Quy đổi lực cản F c về trục động cơ

Cũng trên sơ đồ cơ cấu nâng hạ hàng trên, giả thiết tải trọng G sinh ralực Ft và chuyển động tịnh tiến với vận tốc là vt Trường hợp này công suấtcủa động cơ cũng được bảo toàn, nghĩa là:

1.4.3 Quy đổi mômen quán tính J; khối quán tính về trục động cơ

Trên hình 1.7 giả thiết động cơ có mômen quán tính Jđ, hộp tốc độ có kbánh răng, mỗi bánh răng có mômen quán tính J1, J2 Jk và quay với các tốc

độ góc 1, 2 k Tang quay có mômen quán tính Jt, tốc độ góc t, tải trọng

có khối lượng quán tính m, tốc độ chuyển động vt Tính quy đổi tất cả các đạilượng cơ học trên về trục động cơ

Trường hợp này cần bảo đảm động năng của hệ không thay đổi:

(1-11)Chia cả 2 vế của (1-11) cho ta có:

(1-12)Đặt là các tỷ số truyền của bánh răng thứ n của bộ truyền động (n = 1,

2 k) và tỉ số truyền chung của bộ truyền động

Và - bán kính quy đổi khối quán tính m về trục động cơ

Trong thực tế tính toán một cách gần đúng người ta có thể xem rằng do

có hộp tốc độ mà mômen quán tính của hệ TĐĐ tăng hơn một chút và có thểbiểu thị bằng công thức:

(1-14)Trong đó:  = 1,1  1,3

Jc - mômen quán tính quy đổi của hệ TĐĐ đã quy đổi về trục động cơ.Đơn vị đo là (kg.m2)

Thông thường trong thực tế và trong các sổ tay kỹ thuật người ta

(kG.m2) Trong trường hợp này mômen quán tính J được tính bằng:

1.5 Phương trình chuyển động của truyền động điện

Khi nghiên cứu các trạng thái chuyển động của hệ TĐĐ người tathường quan tâm đến các yếu tố sau:

- Lực và mômen gây chuyển động hoặc cản trở lại chuyển động: Ft, M.

- Tốc độ chuyển động: vt

- Thời gian chuyển động: t

Trạng thái làm việc của hệ truyền động điện phụ thuộc vào mômenquay Mđ do động cơ sinh ra và mômen cản tĩnh MC do phụ tải của máy quyếtđịnh Mđ và Mc có thể là mômen gây chuyển động (hỗ trợ chuyển động) khi

nó cùng chiều với chiều quay của hệ hoặc có thể là mômen hãm (khi nóngược chiều quay của hệ truyền động) Để đặc trưng cho trạng thái làm việccủa hệ truyền động, người ta dựa vào phương trình động học của hệ Đó làphương trình cân bằng về lực và mômen của hệ Và thông thường các đạilượng này được quy đổi về trục động cơ thừa hành để tính toán được thuậnlợi

Phương trình cân bằng công suất của hệ truyền động được viết dướidạng tổng quát như sau:

Trong đó:

Pđ - công suất của động cơ sinh ra để gây chuyển động

Pc - công suất của phụ tải mà động cơ phải khắc phục

Pđg - công suất động đặc trưng cho sự thay đổi động năng của hệ

Chú ý: Dấu của các đại lượng tùy thuộc vào chiều của chúng có dạng

hỗ trợ chuyển động hay cản trở lại chuyển động của hệ truyền động

Hệ quay với tốc độ góc là  thì động năng của nó tích lũy được là:

(1-18)Trong trường hợp tổng quát J phụ thuộc vào góc quay của bộ phận làmviệc nghĩa là: J = f ()

J - mômen quán tính của hệ, thì công suất động bằng vi phân của độngnăng theo thời gian ta có:

Thay (1-19) vào (1-17) ta có:

(1-20)Chia cả hai vế (1-20) cho  ta có:

(1-21)

Vì nên phương trình (1-21) có thể viết thành:

(1-22)

Trường hợp J = const ta cĩ:

(1-23)(1-22) và (1-23) là phương trình chuyển động của hệ TĐĐ chuyển độngquay Vế phải của chúng chính là mơmen động Mđg nghĩa là: Mđ + Mc = Mđg

Trong các phương trình trên: P tính bằng ốt (W); M - (N.m); J - (N.m2)hay (kg.m2);  - (rad/s);  - (độ); t - (s)

Thơng thường trong thực tế thường gặp hệ TĐĐ với chuyển động quay

cĩ tốc độ n tính bằng vịng.phút và mơmen quán tính J sẽ được tính bằngmơmen bánh đà:

Từ các phương trình trên ta cĩ các nhận xét sau:

Mđ + Mc > 0 nghĩa là Mđg > 0 hay hệ chuyển động với gia tốc dương(nhanh dần đều)

Mđ + Mc < 0 nghĩa là Mđg < 0 hay hệ chuyển động với gia tốc âm(chậm dần đều)

Mđ + Mc = 0 nghĩa là Mđg = 0 hay  n = const Hệ chuyển độngkhơng đổi (TĐĐ làm việc ở trạng thái xác lập)

1.6 Điều kiện ổn định tĩnh của hệ truyền động điện

Như ở phần trên đã nêu, khi M = Mc thì hệ truyền động điện làm việc ởtrạng thái xác lập hay ổn định Điểm làm việc ổn định là giao điểm của haiđặc tính cơ của động cơ  = f(M) và đặc tính cơ của máy sản xuất c = f(Mc).Tuy nhiên khơng phải với bất kỳ động cơ nào cũng cĩ thể làm việc với cácloại tải mà nĩ phải cĩ điểm giao nhau đĩ thỏa mãn điều kiện ổn định, người tagọi là ỔN ĐỊNH TĨNH hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải

Điều kiện cần và đủ để một trạng thái xác lập của hệ TĐĐ ổn định làgia số tốc độ, đặc trưng cho hiện tượng mất cân bằng và mơmen động xuấthiện khi đĩ phải ngược dấu nhau nghĩa là:

(1-27)

Để xét ổn định tĩnh của hệ TĐĐ ta cĩ thể dựa vào đặc tính cơ của động

cơ và của phụ tải như hình 1.8

A là điểm làm việc xác lập Vì ở vùng lân cận điểm xác lập với số gia

 nhỏ, ta có thể coi đặc tính cơ của động cơ và của phụ tải là tuyến tính Vớigiả thiết này ta có:

Theo tiêu chuẩn ổn định tĩnh (1-30) ta xét cho TĐĐ dùng động cơkhông đồng bộ với những tải khác nhau như hình 1.8 Từ hình 1.8 ta có:

Tại điểm A:  < 0; c = 0 nên  < c ổn định

Tại điểm B:  < 0; c > 0 nhưng  < c ổn định

Tại điểm C:  < 0; c = 0 nên  < c ổn định

Tại điểm D:  > 0; c = 0 nên  > c không ổn định.Chú ý rằng trong thực tế người ta chỉ cho hệ thống làm việc tại điểm A

và C còn điểm B mặc dù hệ thống ổn định nhưng độ dự trữ ổn định kém, độtrượt lớn (tốc độ thấp), tổn hao nhiều

Chương 2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2.1 Khái niệm chung

2.1.1 Điện trở định mức của động cơ điện

Để tiện lợi trong tính toán điện trở và biểu diễn dưới dạng đơn vị tươngđối, người ta thường dùng khái niệm điện trở định mức Nó cho phép tổngquát hóa và đơn giản hóa các phép tính Qua đó ta cũng có thể sơ bộ xác địnhđược trạng thái làm việc của động cơ theo những giá trị điện trở khác nhautrong mạch động lực

a Điện trở định mức của động cơ điện một chiều

Điện trở định mức của động cơ điện một chiều là một trị số R đm nào đó của mạch động lực gồm có điện trở trong và cả điện trở ngoài để cho khi phần ứng đứng yên, điện áp lưới đặt vào động cơ bằng định mức U đm thì dòng điện chạy qua phần ứng cũng phải bằng định mức I ư đm

Động cơ điện một chiều có 4 loại kích từ độc lập, kích từ song song,kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp

Hình 2.1: Sơ đồ nối động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

với điện trở phụ ngoài

Trên hình 2.1 giới thiệu sơ đồ nguyên lý nối động cơ một chiều kích từhỗn hợp với lưới qua một điện trở nối tiếp Khi đặt vào động cơ một điện áp

U bằng định mức và điện trở mạch động lực bằng định mức thì dòng điện quamạch phần ứng lúc nó đứng yên cũng phải bằng định mức Từ đó ta xác địnhđược trị số điện trở định mức là:

(2-1)

Nếu động cơ được sử dụng để làm việc ở chế độ dài hạn thì Iư.đm cầnphải được lấy theo dòng điện định mức theo các catalo cũng ứng với chế độdài hạn đó Nếu động cơ được sử dụng để làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lạihoặc ngắn hạn thì tùy theo tiêu chuẩn có 3 dòng điện ứng với các hệ số tiếpđiện là 15%, 25% và 40% nhưng Iư.đm phải được tính theo tiêu chuẩn ứng vớichế độ 25%, vì các số liệu cơ bản của động cơ như dòng điện cho phép, tốc độcho phép, …mà nhà máy đã cho sẵn theo đơn vị tương đối hoặc phần trămđều tính theo dòng điện định mức ở hệ số tiếp điện bằng 25%.

- Điện trở trong: Khi tính toán các giá trị điện trở và các đặc tính khởiđộng, hãm và điều chỉnh, ta cần biết được điện trở trong của động cơ Bằngcách biểu diễn chúng theo đơn vị tương đối người ta có thể xây dựng đượcnhững đường cong quan hệ giữa điện trở trong với công suất định mức củađộng cơ rất tiện lợi cho tính toán

Đối với các động cơ điện một chiều, điện trở trong bao gồm: Điện trởcủa mạch phần ứng rư, điện trở các cuộn dây kích từ chính (cuộn kích từ songsong, kích từ nối tiếp), điện trở các cuộn dây cực từ phụ rcf, điện trở cuộn dây

bù rb , điện trở tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp rtx Đối với động cơ, vì mạchphần ứng, cuộn dây cực từ chính, cực từ phụ, cuộn dây bù và chổi than đềuđược đấu nối tiếp với nhau nên trên thực tế người ta tính chung các đại lượngnày vào một đại lượng duy nhất gọi tắt là điện trở phần ứng động cơ Rư

- Điện trở ngoài: Là điện trở phụ được đấu vào mạch có tác dụng làmgiảm dòng điện khi khởi động hoặc nhằm các mục đích điều chỉnh tốc độquay hay hãm các hệ truyền động điện

Ví dụ: Cho một điện trở ngoài Rf = 2 đấu nối tiếp với phần ứng động

cơ Xác định trị số điện trở tương đối của nó nếu biết động cơ có điện áp địnhmức Uđm = 220v, dòng điện định mức Iư.đm = 55A

Giải:

Điện trở định mức của động cơ:

Điện trở ngoài tương đối:

b Điện trở định mức của động cơ điện không đồng bộ:

Để cho các phép toán được tổng quát hóa và hệ thống hóa người ta đưavào khái niệm điện trở định mức của rôto:

Điện trở định mức của rôto động cơ không đồng bộ rôto dây quấn là một điện trở tác dụng nào đó của mỗi pha gồm cả điện trở trong và điện trở

ngoài mà ứng với nó khi rôto đứng yên, điện áp và tần số lưới điện đặt vào stator bằng định mức thì dòng điện trong rôto sẽ bằng định mức.

Để cho rôto đứng yên trong mỗi pha của nó có một dòng điện định mức

I2.đm thì điện trở của mỗi pha phải là:

trong đó E2.đm là sức điện động cảm ứng của mạch rôto lúc đứng yên.Điện trở mạch rôto bao gồm điện trở trong của bản thân rôto động cơ

và điện trở phụ đưa bên ngoài vào thông qua hệ thống vành trượt chổi thannhằm thay đổi tốc độ hoặc cải thiện quá trình khởi động của động cơ rôto dâyquấn

2.1.2 Quy ước sử dụng đơn vị tương đối

Trong nhiều trường hợp để đơn giản trong tính toán hoặc dễ dàng sosánh, đánh giá các chế độ làm việc của TĐĐ người ta có thể dùng hệ đơn vịtương đối Đại lượng tương đối là tỷ số giữa trị số của đại lượng đó với trị số

cơ bản của chính nó Các đại lượng cơ bản thường được chọn là Uđm, Iđm, đm,

Mđm, đm, Rcb Đại lượng tương đối được ký hiệu bằng dấu “*” Ví dụ điện áptương đối là U *, mômen tương đối M *, theo định nghĩa thì:

Tương tự ta có:

; ; ; hoặc Việc chọn các đại lượng cơ bản là tùy ý, sao cho các biểu thức tính toánđược đơn giản, thuận tiện như:

- Tốc độ cơ bản của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ hỗnhợp là tốc độ không tải lý tưởng o, với động cơ không đồng bộ và động cơđồng bộ là tốc độ đồng bộ 1 Riêng đối với động cơ một chiều kích từ nốitiếp thì chọn tốc độ cơ bản là tốc độ định mức của động cơ đm bởi vì loạiđộng cơ này, giá trị tốc độ không tải lý tưởng rất lớn ta không xác định được

- Trị số của điện trở cơ bản là Rcb

+ Với các động cơ không đồng bộ thông thường điện kháng định mức ởmỗi pha của rôto rất nhỏ so với tổng trở định mức nên ta có thể coi gần đúnglà:

R2cb = Z2cb.Khi mạch rôto đấu hình sao ta có:

(2-4)

Trong đó:

E2nm - Sức điện động ngắn mạch của rôto (V)

I2đm - Dòng điện định mức ở mỗi pha rôto (A)

Khi mạch rôto đấu tam giác, thì điện trở định mức mỗi pha của rôto là:

M* đặc trưng tổn hao trong sắt Thông thường M* = 0,03 nên Nếu

bỏ qua sự tổn hao trong sắt thì

2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Rư - Điện trở trong của mạch phần ứng:

- Đối với động cơ kích từ độc lập hoặc song song:

Rư = rư + rcf + rcb + rct

- Đối với động cơ kích từ nối tiếp và hỗn hợp:

Rư = rư + rkt + rcf + rcb + rct

Trong đó:

rư - Điện trở cuộn dây phần ứng

rkt – Điện trở cuộn dây kích từ nối tiếp

rcf - Điện trở cuộn dây phụ

rcb - Điện trở cuộn dây bù

rct - Điện trở tiếp xúc của chổi than lên cổ góp

RP - Điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng

Sức điện động phần ứng của động cơ điện được xác định theo biểuthức:

N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a - Số đôi nhánh song song của cuộn dây phần ứng

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

Với Ce là hệ số sức điện động của động cơ

Và ;

Biểu thức (2-11) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặc khác mômen điện từ của động cơ được xác định bởi:

Suy ra :

Thay giá trị Iư vào (2-11) ta được: (2-13)

Nếu bỏ qua các tổn thất ma sát trên các ổ trục, tổn thất trong thép thìmômen điện từ bằng mômen cơ Mđt = Mcơ = M, do đó (2-13) có thể viết:

Công thức (2-11) và (2-14a) được viết ở đơn vị tương đối:

M 0

oâñ

0 oâñ

Mñm

2.2.2 Đặc tính cơ các loại động cơ điện một chiều

a Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập (hoặc động cơ một chiều kích từ song song)

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp khôngđổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động

cơ được gọi là động cơ kích từ song song (hình 2.2b)

Đối với 2 loại động cơ này nếu U = const thì ta có Ikt = const nên từthông dưới mỗi cực là  = CIkt = const (C là hằng số tỉ lệ) Khi đó dạngđường đặc tính cơ của chúng được coi là như nhau

Giả thiết phản ứng phần ứng của động cơ được bù đủ, khi đó phươngtrình đặc tính cơ có dạng tuyến tính:

(2-19)(2-20)

Đồ thị có dạng đường thẳng bậc nhất như được biểu diễn trên hình 2.3

Hình 2.3: Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b)

của động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong máy điện một chiều, do Rư có trị số rất nhỏ (đặc biệt là máy cócông suất lớn) nên khi tải thay đổi, tốc độ của động cơ giảm rất ít (khoảng từ

2  8% so với tốc độ định mức), vì vậy đặc tính cơ tự nhiên của động cơ kích

từ song song rất cứng Loại động cơ này rất phù hợp trong các hệ truyền độngđiện cần độ ổn định tốc độ cao như trong máy cắt gọt kim loại,…

Ứng dụng kt độc lập: để làm máy phát điện bởi vì có điện áp ổn định

và điều chỉnh độc lập dễ dàng

b Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:

Đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từmắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trởnhỏ, số vòng dây ít, chế tạo dễ dàng

Đối với động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp vì Iư = I = Ikt nên khi tảithay đổi thì dòng kích từ sẽ thay đổi theo nên quan hệ  = CIkt = var chính làquan hệ từ hóa  = f(Ikt) không phải là tuyến tính Thực tế, khi Ikt <0,8Ikt đm thì

có thể coi C = const

Phương trình đặc tính cơ:

Hình 2.4: Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp a);

đường cong từ hóa (b) và đường đặc tính cơ (c)

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy, đăc tính cơ của động cơ điện 1chiều kích từ nối tiếp có dạng đường hypepbol, được biểu diễn như hình 2.4

Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp có dạng hyperbol

và mềm ở phạm vi dòng điện nhỏ hơn dòng điện định mức Ở vùng dòng điệnlớn, do mạch từ bão hòa nên hầu như từ thông không thay đổi và đặc tính códạng gần như tuyến tính

Ta thấy nếu động cơ không mang tải ( I = 0 hoặc M = 0) thì tốc độkhông tải lý tưởng sẽ vô cùng lớn Nhưng thực tế do có ma sát ở các ổ đỡ, cáctổn thất phụ và các động cơ có từ dư:  = ( 2  10)% đm nên khi không tảithì tốc độ không tải của động cơ vẫn có một giá trị hữu hạn

Tốc độ này thường rất lớn so với tốc độ định mức, nên thực tế khôngcho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải.Thông thường chế độ tải tối thiểu của loại động cơ này cần có công suất Pc =(0,2 0,25)Pđm

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn vềmômen Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơnđịnh mức thì từ thông động cơ lớn hơn định mức, do đó mômen của nó tăngnhanh hơn so với sự tăng của dòng điện Như vậy với mức độ quá dòng điệnnhư nhau thì động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải vềmômen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập.Nhờ ưu điểm đó mà động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp rất thích hợp chonhững truyền động làm việc thường có quá tải lớn; yêu cầu mômen khởi độnglớn và cần tốc độ thay đổi trong phạm vi rộng như hệ truyền động cần trục, cơcấu nâng hạ tải, đầu máy kéo tàu hỏa,…

Bên cạnh đó vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phầnứng nên khả năng chịu tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp củalưới điện Vì vậy, loại động cơ này thích hợp cho những truyền động dùngtrong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện dài

c Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp:

Trong động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp, có 2 trường hợp đấu cáccuộn dây kích từ nối tiếp và song song là đấu thuận chiều hay đấu bù (đường1) và đấu nghịch chiều (đường 2)

Đường 2 thể hiện tỷ lệ nghịch, hướng đi lên lúc này

+ TH đau thuận: Phi tông bằng Phi nt + phi song song

+ TH đấu nghịch thì : Phi tổng bằng phi song song trừ phi nối tiếp Thực tế động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp chỉ áp dụng cách đấu thuận vìkiểu đấu ngược không thỏa mãn các điều kiện làm việc ổn định của hệ truyền

động nên từ nay khi nói đến khái niệm động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp là nóiđến loại có các cuộn kích từ được đấu thuận Như vậy từ thông của động cơđược tạo ra bởi tổng các sức từ động của cuộn dây kích từ song song và kích

từ nối tiếp, trong đó từ thông của cuộn dây kích từ song song đóng vai tròchính (có giá trị 70% lớn hơn 30% )

Hình 2.5: Động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp và đặc tính cơ

Động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp có đặc tính cơ mang tính chất trunggian giữa 2 loại động cơ kích từ nối tiếp (đường 4) và kích từ song song(đường 3) Độ cứng của nó mềm hơn của động cơ kích từ song song nhưng lạicứng hơn loại kích từ nối tiếp vì mức độ tăng từ thông  của nó không mạnhbằng của loại kích từ nối tiếp (xét ở cùng 1 dòng tải như nhau)

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp thực hiện như ởđộng cơ kích từ song song (về nguyên tắc có thể áp dụng như ở trường hợpđộng cơ kích từ nối tiếp)

Với những đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ hỗp hợp, nóthích hợp cho những nơi cần các điều kiện mômen mở máy lớn, gia tốc quaykhi mở máy lớn, tốc độ biến thiên theo tải trong một vùng rộng như trongmáy ép (nén), máy bào, máy in, máy cán thép, máy nâng tải,…

Ứng dụng: làm động cơ vạn năng bởi vì không phải mang đặc tínhtrung gian mà vì khi cắt một trong 2 cuộn kích từ ta lại dc một động cơ tươngứng ví dụ cắt cuộn song song thì ta dc động cơ kt nối tiếp và ngược lại vìvậy phù hợp với mọi yêu cầu

2.2.3 Đảo chiều quay động cơ điện một chiều

Trong các hệ truyền động điện, nhiều hệ có yêu cầu phải đảo chiềuquay động cơ khi làm việc Để tiến hành đảo chiều quay động cơ điện mộtchiều ta có thể áp dụng một trong các phương pháp sau đây:

- Đảo chiều điện áp phần ứng động cơ

- Đảo chiều dòng điện kích từ

2.2.4 Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

a Ảnh hưởng của điện trở phụ trong mạch phần ứng:

Giả thiết U = Uđm = const và  = đm = const Khi thay đổi trị số điệntrở trong mạch phần ứng thì tương ứng sẽ có các đường đặc tính cơ nhân tạo.Các đường đặc tính nhân tạo này có thể gọi là đường đặc tính biến trở

- Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

(2-21)

- Độ cứng của đặc tính cơ:

(2-22)Khi RP càng lớn,  càng nhỏ; nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ứng với RP

= 0 ta có hệ số cứng của đặc tính cơ tự nhiên

Đặc tính cơ tự nhiên có hệ số tn lớn nhất nên đường đặc tính này có độcứng hơn tất cả các đường đặc tính cơ biến trở Như vậy khi thay đổi điện trởphụ RP ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình 2.6 Ứng với mộtphụ tải Mc nào đó nếu RP càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thờidòng điện Inm và Mnm cũng giảm Vì thế người ta thường sử dụng phương phápnày để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơbản

Hình 2.6: Ảnh hưởng của điện trở đến đặc tính cơ

a- Động cơ một chiều kích từ song songb- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

b Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả thiết từ thông  = đm = const, điện trở phần ứng R = const, khithay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm, ta có:

- Độ cứng của đặc tính cơ: (2-24)

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ ta được một

họ đặc tính cơ song song với đặc tính tự nhiên hình 2.7

Hình 2.7: Ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắnmạch và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Do đóphương pháp này thường được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chếdòng điện khởi động

c Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết điện áp phần ứng U = Uđm = const, điện trở mạch phần ứng R =

Rư = const, muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ của động cơ

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông.Nên khi từ thông giảm thì o tăng còn  giảm Ta có một họ đặc tính cơ với

o tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông thì dòng điện ngắn mạch có giátrị không đổi và bằng:

(2-27)Mômen ngắn mạch: Mnm = kInm = var

(rad/s) 0

đm

Iđm

I (A)

(rad/s) 0

a.Động cơ một chiều kích từ độc lập (hoặc kích từ song song):

* Cách vẽ đặc tính tự nhiên:

Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hoặc kích từ songsong), vì đặc tính của động cơ là đường thẳng nên khi vẽ ta chỉ cần xác địnhhai điểm của đường thẳng Thông thường khi vẽ ta chọn điểm không tải lýtưởng và điểm làm việc định mức

Đối với đặc tính cơ điện:

(rad/s) 0

Đối với đặc tính cơ điện:  ứng với Iđm

Đối với đặc tính cơ:  ứng với Mđm

Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên ta có:

Từ các số liệu đã biết trên ta vẽ được các đặc tính biến trở H2.9 a, b

Chú ý : Rư có thể không ghi trên mác của động cơ, ta phải tra trong sổtay hoặc tính toán gần đúng

- Dựng đặc tính giảm từ thông: Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện củađộng cơ khi giảm từ thông không đồng nhất với nhau nên cần phải xét riêngtừng loại đặc tính

+ Đặc tính cơ điện: Ta đã biết Inm = const và ox = var Ta phải xác địnhcác điểm không tải lý tưởng ox Nếu gọi độ suy giảm từ thông là x = Ta có

ox = otn.x Còn dòng điện ngắn mạch:

(rad/s) 0x

0

Iđm

I (A) TN

Inm.đm

(rad/s) 0x

b Động cơ kích từ nối tiếp:

Do quan hệ  =f(Iư) là phi tuyến nên để vẽ các đặc tính cơ điện và đặctính cơ của động cơ người ta sử dụng phương pháp đồ thị giải tích dựa vàocác đường cong thực nghiệm đã cho Vì các động cơ một chiều kích từ nốitiếp cùng loại đều có khe hở không khí và mức độ bão hòa từ không khácnhau nhiều nên các quan hệ giữa tốc độ, mômen M với dòng điện I theo đơn

vị tương đối gần trùng nhau Người ta gọi các quan hệ * = f(I*), M* = f(I*)

là các đặc tính vạn năng và được xác định bằng thực nghiệm

Do cấu trúc chương trình môn học nên tài liệu chỉ đề cập đến cách tínhtoán, vẽ đồ thị đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từđộc lập (hay kích từ song song)

2.2.6 Khởi động và tính toán điện trở khởi động

a Các yêu cầu khi khởi động động cơ điện:

Từ phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện 1 chiều:

Với U = Uđm thì ban đầu khi mở máy n = 0 nên vì vậy dòng điện mởmáy có giá trị:

hay

Do điện trở trong của động cơ điện Rư có trị số rất nhỏ (đặc biệt là cácmáy điện có công suất lớn) nên có thể dòng mở máy ban đầu sẽ có trị số rất

lớn (có thể đạt 10 20Iđm) Dòng điện đó sẽ đốt nóng động cơ, làm sụt áp lướiđiện, làm giảm chất lượng chuyển mạch của động cơ hoặc vì mômen mở máylớn có thể gây các xung lực làm rung, lắc, … không tốt về mặt cơ học, giảm

độ bền của các chi tiết máy, ảnh hưởng càng nghiêm trọng đối với động cơthường phải khởi động và hãm Vì vậy cần phải dùng các biện pháp nhằm làmgiảm dòng khởi động nhưng vẫn bảo đảm được yêu cầu về mặt mômen và giatốc cho hệ truyền động

Việc giảm dòng điện khởi động không được quá nhỏ, vì khi đó mô men

mở máy sẽ thấp khiến có thể không khởi động được hoặc thời gian khởi độnglâu,…

Để bảo đảm các yêu cầu nêu trên thì cần giới hạn dòng điện đỉnh khikhởi động có giá trị trong khoảng Inm = (2  2,5)Iđm và giá trị dòng điệnchuyển phải lớn hơn (10 30)% dòng điện tải

Ngoài các yêu cầu về mômen và thời gian khởi động còn phải chú ýđến chất lượng quá trình khởi động phải trơn, gia tốc đều, êm để tránh gây cácxung lực làm giảm độ bền cơ của hệ truyền động

b Các phương pháp khởi động động cơ điện:

Để thực hiện các yêu cầu khi khởi động có thể áp dụng các phươngpháp khởi động sau:

Khởi động trực tiếp: Chỉ áp dụng cho các động cơ công suất nhỏ dưới

0,5KW vì loại động cơ này có điện trở trong Rư lớn hơn nhiều so với Rư củacác động cơ công suất lớn khi có cùng dòng tải Đồng thời vì công suất củađộng cơ nhỏ nên không gây sụt áp lưới điện

Khởi động bằng điện áp thấp: Áp dụng cho các hệ truyền động có thể

điều chỉnh được điện áp nguồn (có bộ biến đổi điện áp)

Khởi động nhờ điện trở phụ (biến trở): Được áp dụng phổ biến nhất

nên ở đây ta chỉ giới thiệu kỹ phương pháp này

c Trạng thái của động cơ khi khởi động:

Khi khởi động dùng điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng ta có dòngđiện khởi động là:

(2-31)Khi tốc độ tăng lên thì Eư cũng tăng theo nên dòng điện phần ứng sẽgiảm theo biểu thức:

(2-32)

Tương ứng khi đó mômen quay của động cơ cũng giảm Mđt = kIư.Muốn cho quá trình tăng tốc được đều đặn và để cho động cơ làm việc ổnđịnh trên đặc tính tự nhiên thì cần phải cắt dần điện trở phụ.

Hình 2.12: Sơ đồ mạch của động cơ khởi động qua 3 cấp điện trở

Để quá trình khởi động được trơn, tăng tốc êm và đều thì cần nhiều cấpđiện trở khởi động Tuy nhiên khi đó thì số lượng các khí cụ điều khiển (côngtắc tơ, rơle) sẽ tăng lên, đồng thời quá trình khởi động sẽ bị kéo dài hơn sovới trường hợp dùng ít cấp điện trở khởi động

Hình 2.13: Trạng thái khởi động của động cơ

Quá trình khởi động động cơ sẽ làm việc trên một loạt đường đặc tínhnhân tạo có độ dốc giảm dần tương ứng với việc cắt dần các điện trở phụ tạicác điểm g, e, c; cuối cùng động cơ tăng tốc độ trên đặc tính tự nhiên và làmviệc ổn định tại điểm O Ở đó dòng điện động cơ bằng dòng tải (I = Ic) hay M

= Mc

d Tính giá trị điện trở khởi động:

Việc tính điện trở khởi động có thể được tiến hành trong 2 trường hợp:

- Cho trước số cấp điện trở khởi động m

- Không cho số cấp điện trở khởi động (thường ở dạng thiết kế hệ thốngtruyền động mới)

Khi tính điện trở khởi động để quá trình tăng tốc được đều và êm thìcần có giá trị mômen chuyển và mômen đỉnh của mỗi cấp là bằng nhau vàchọn bằng một số nguyên Để khởi động được trơn thì số cấp điện trở m phảilớn (hay khoảng cách giữa giá trị mômen chuyển và mômen đỉnh phải khônglớn)

Tính toán điện trở khởi động theo yêu cầu về gia tốc của hệ truyềnđộng:

- Khởi động bình thường: Hệ truyền động không đòi hỏi gia tốc nhanh(thường thấy ở các hệ truyền động ít khởi động như băng chuyền, máy vậnchuyển, …thường làm việc ở chế độ dài hạn) Trong trường hợp này cần chọntrước trị số dòng điện (hoặc mômen) chuyển có giá trị lớn hơn từ (10 – 30)%dòng điện hoặc mômen cản tĩnh:

Từ đó tùy thuộc vào số cấp điện trở khởi động m cần có để chọn giá trịdòng điện (hoặc mômen) đỉnh phù hợp sao cho giá trị dòng điện và mômenđỉnh của mỗi cấp điện trở khởi động phải bằng nhau và nằm trong giới hạncho phép:

- Khởi động cưỡng bức: Hệ truyền động có yêu cầu gia tốc nhanh(thường gặp ở các cơ cấu thường xuyên phải khởi động, dừng, đảo chiều quaynhư trong máy bào, cơ cấu nâng hạ hàng,…) Trong trường hợp này ta chọntrước trị số I2 (M2) sau đó điều chỉnh giá trị I1 (M1) cho phù hợp với số cấp m

Để tính giá trị các cấp điện trở khởi động, có thể dùng một trong haiphương pháp tính đó là phương pháp đồ thị và phương pháp giải tích

Trước hết ta đưa ra quy trình tính toán điện trở khởi động cho động cơmột chiều kích từ song song (hoặc độc lập) như sau:

* Phương pháp đồ thị:

Dùng giấy kẻ ô li để vẽ đặc tính cơ cho chính xác theo các bước:

- Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên

- Chọn hai giới hạn chuyển của dòng điện khởi động động cơ:

+ Nếu khởi động bình thường: Chọn giới hạn dòng điện chuyển:

I1  (1,1  1,3)Ic

+ Nếu khởi động cưỡng bức: Chọn giới hạn dòng điện đỉnh:

I2  (2  2,5)Iđm

- Điều chỉnh các giá trị I1 và I2 để có được số cấp m theo yêu cầu và vẽcác đường đặc tính nhân tạo sao cho giá trị dòng điện chuyển và dòng điệnđỉnh của chúng là bằng nhau

- Xác định giá trị độ sụt tốc của mỗi đường đặc tính để từ đó tính giá trịđiện trở khởi động tại mỗi cấp tương ứng

Cách vẽ đồ thị đặc tính cơ: Lấy giá trị I1, I2 trên trục hoành Từ I1, I2 kẻhai đường thẳng song song với trục tung cắt đường đặc tính tự nhiên tại a và

b Từ o nối với I2 (h) ta được đặc tính khởi động thứ nhất, đặc tính này cắtđường I1 tại g Tại g ta kẻ đường song song với trục hoành cắt đường I2 tại f.Nối o với f ta được đường đặc tính khởi động thứ hai Cứ như vậy tới khi

từ c kẻ đường song song với trục hoành sẽ gặp điểm b Nếu điều kiện nàykhông thỏa mãn ta phải chọn lại I1 hoặc I2 rồi vẽ lại cho tới khi nào dựng đượctheo số cấp khởi động yêu cầu (xem hình 2.14)

Hình 2.14: Tính điện trở khởi động bằng phương pháp đồ thị

Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ  trên các đặc tính đã vẽ đượcứng với một dòng điện đã biết, ví dụ ta tính theo giá trị dòng I2:

là đặc tính thứ 3 Các đặc tính khởi động tiếp theo sẽ là (m - 1), (m - 2)

Điện trở phụ ở mỗi cấp ta cũng ký hiệu là RP1 , RP2 RPm Và điện trởtổng ứng với mỗi đặc tính là:

R1 = Rư + RP1

R2 = Rư + RP1 + RP2

R3 = R2 = 3Rư

Rm = Rm-1 = mRư

Từ các công thức trên ta thấy:

- Nếu biết số cấp điện trở khởi động m và Rư, Rm ta tính được bội sốdòng điện khởi động:

(2-39)Trong đó:

Nếu tính trong hệ đơn vị tương đối:

(2-40)Trong đó: (với  = đm)

- Nếu biết , Rm, Rư ta xác định được số cấp điện trở khởi động m:

(2-41)Trị số từng cấp điện trở khởi động được tính như sau:

RP1 = R1 - Rư = Rư - Rư = ( - 1)Rư

RP2 = R2 - R1 = 2Rư - Rư = ( - 1)Rư

Từ biểu thức (2-39) hoặc (2-40) để tính giá trị  sau đó dựa vào cáccông thức để tính trị số điện trở phụ các cấp khởi động tương ứng

+ Khi cho trước số cấp khởi động m, chế độ khởi động là bình thường:

Ta chọn giới hạn dòng điện chuyển khi khởi động I1 = (1,1 ÷ 1,3)Iđm sau đódựa vào các công thức (2-39), (2-40) thay I2 = I1 hoặc I*2= I*1 = M*1 vàbiến đổi ta sẽ tính được trị số  theo biểu thức:

hoặc

+ Khi cần xác định số cấp điện trở khởi động m và các điện trở khởiđộng theo yêu cầu khởi động cho trước: Ta dựa vào các yêu cầu của truyềnđộng và khởi động để chọn các giá trị I1, I2, M1, M2 cho phù hợp Sau đó dựavào biểu thức (2-39) để tính , biểu thức (2-41) để tính số cấp khởi động m.Nếu m tính được không phải là một số nguyên thì phải chọn lại I1,M1hoặc I2,

M2 và tính lại để đạt được giá trị m là số nguyên Từ đó xác định giá trị điệntrở khởi động ở từng cấp

Hình 2.16: Cách xác định giá trị điện trở khởi động

động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Quy trình tính điện trở phụ khởi động đối với động cơ một chiều kích

từ nối tiếp hoàn toàn tương tự như động cơ 1 chiều kích từ song song (độclập) bằng cách tuyến tính hóa các đường đặc tính cơ Người ta chứng minhđược các đường đặc tính cơ đó đều đồng quy tại một điểm (điểm X trên đồ thịhình 2.16)

Quá trình xây dựng đặc tính khởi động và tính toán trị số điện trở khởiđộng của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp được tiến hành theo cácbước sau:

- Dựa vào các thông số của động cơ và đặc tính vạn năng vẽ được đặc

tính cơ, đặc tính cơ điện tự nhiên

- Chọn dòng điện giới hạn I2 ≤ (2 ÷ 2,5)Iđm và tính điện trở tổng củamạch phần ứng khi khởi động theo công thức:

- Chọn dòng điện chuyển khi khởi động:

Dóng I1 lên đặc tính cơ tự nhiên ta có giá trị tốc độ tương ứng với dòngđiện I1 tại điểm (a) là TN1 từ đó xác định được tốc độ trên đường đặc tínhnhân tạo tương ứng tại điểm (g) là NT1 theo biểu thức:

Kẻ đường thẳng qua gh, trên đặc tính tự nhiên kẻ đường thẳng qua ab.Hai đường này cắt nhau tại điểm X

- Từ a dựng đường đặc tính khởi động hình tia thỏa mãn điều kiện:+ Bảo đảm đúng số cấp điện trở khởi động yêu cầu

+ Từ điểm c kẻ đường song song với trục hoành phải cắt đặc tính tựnhiên đúng tại điểm b

Nếu không thỏa mãn các điều kiện trên ta phải chọn lại giá trị dòng I1,

I2 để xây dựng lại đặc tính khởi động

- Xác định trị số điện trở khởi động: Ta gọi điện trở phụ mắc vào mạchphần ứng khi khởi động là RP Ta có: RP = R – Rư Như vậy điện trở khởi độngtrong từng cấp là:

2.2.7 Các trạng thái hãm trong động cơ điện một chiều

Hãm là trạng thái làm việc mà động cơ sinh ra mômen quay ngượcchiều với tốc độ quay Chính vì vậy, trong tất cả các trạng thái hãm, động cơđều làm việc như ở chế độ máy phát

Có 3 trạng thái hãm trong động cơ điện một chiều là:

cơ trở thành động cơ kích từ song song.

Từ phương trình cân bằng sức điện động phần ứng, ta thấy so với chế

độ động cơ lúc này dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều và được xác địnhbằng biểu thức sau:

Trị số mômen hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mômen phụtải của cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ  > o hay n

> no Trong trạng thái hãm tái sinh, công suất được trả về lưới điện có giá trị

P = (E - U) I Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điệnnăng hữu ích

Đoạn đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thứ hai vàthứ tư của mặt phẳng tọa độ [ M,  ] như biểu diễn trên hình 2.17

Trạng thái hãm tái sinh thường xảy ra trong các trường hợp thực tế sau:

- Khi động cơ đang làm việc điện áp đặt vào phần ứng giảm đột ngột,khi điện áp giảm thấp hơn trị số s.đ.đ thì U < Eư (hình 2.18a)

Hình 2.18: Hãm tái sinh khi điện áp nguồn giảm đột ngột (a)

và khi làm việc với tải thế năng (b)

- Ở các tải thế năng, khi hệ thống nâng hàng thì động cơ làm việc ở chế

độ động cơ; khi hạ hàng, ta tiến hành đảo chiều điện áp phần ứng để động cơđổi chiều quay Do tải trọng khi hạ hàng có tác dụng hỗ trợ chuyển động nênkhiến cho tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng dẫn đếndòng điện và mômen quay bị đảo chiều Trong trường hợp này để giảm dòngđiện khởi động và giảm thời gian quá độ khi hãm thì thường người ta mắcthêm điện trở phụ vào mạch phần ứng Khi tốc độ gần đạt tốc độ không tải lýtưởng thì cắt điện trở phụ khỏi mạch phần ứng, động cơ làm việc ổn định tại

oâñ (hình 2.18b)

b Hãm ngược:

Hãm ngược là trạng thái máy phát của động cơ khi rôto quay ngược vớichiều quay tương ứng của điện áp nguồn đặt vào động cơ

Trạng thái hãm ngược có thể xảy ra trong hai trường hợp:

- Đưa thêm điện trở phụ có trị số đủ lớn vào mạch phần ứng của động

cơ sao cho mô men ngắn mạch của đặc tính biến trở nhỏ hơn mômen cản.Trường hợp này chỉ gặp khi tải thế năng (xem hình 2.19)