Giáo trình Truyền động điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ CĐ/TC) - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Giáo trình Truyền động điện gồm các nội dung chính sau: Cơ học truyền động điện; Các đặc tính và trạng thái làm việc của động cơ điện; Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc song song; Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp; Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ; Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện. Mời các bạn cùng tham khảo!

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG

GIÁO TRÌNH

MÔN HỌC/MÔ ĐUN: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NGÀNH/ NGHỀ : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

TRÌNH ĐỘ : Cao đẳng và Trung cấp

(Ban hành theo Quyết định số:630/QĐ-CĐN, ngày 5 tháng 4 năm

2022 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang)

An Giang, Năm ban hành: 2022

LỜI MỞ ĐẦU

Truyền động điện là một trong các môn học cơ sở kỹ thuật của các chuyên ngành điện công nghiệp, tự động hóa, cơ điện, Nhằm cung cấp cho người học những kiến thức

cơ bản về các phương pháp điều khiển tốc độ của hệ truyền động điện, tính chọn được động

cơ điện cho các hệ truyền động, phân tích được cấu tạo, nguyên lý của một số thiết bị điển hình như: soft stater, inverter, các bộ biến đổi, cũng như lựa chọn được các bộ biến đổi phù hợp với yêu cầu hệ truyền động

Với mục tiêu trên, nội dung môn học được chia thành 6 bài như sau:

- Bài 1: Cơ học truyền động điện

- Bài 2: Các đặc tính và trạng thái làm việc của động cơ điện

- Bài 3: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc song song

- Bài 4: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Bài 5: Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ

- Bài 6: Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện

Các bài học trên được sắp xếp theo trình tự phù hợp với nhận thức và phát triển nhận thức của người học nghề Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao hơn khi đọc giáo trình này, người học cần nắm vững các kiến thức cơ bản của các môn học cơ sở khác, đặc biệt là các môn như: máy điện, mạch điện, điện tử công suất, trang bị điện

Giáo trình cung cấp kiến thức cơ bản làm cơ sở để phát triển nhận thức của người học Tuy nhiên trong các bài giảng cần tăng cường liên hệ, so sánh với các cơ cấu sản xuất, các hệ thống truyền động trong công nghiệp để người học có cái nhìn tổng thể hơn

Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã cố gắng tham khảo nhiều tài liệu và giáo trình khác nhưng tác giả không khỏi tránh được những thiếu sót và hạn chế Tác giả chân thành mong đợi những nhận xét, đánh giá và góp ý để cuốn giáo trình ngày một hoàn thiện hơn

An Giang, ngày 15 tháng 05 năm 2021

Tác giả biên soạn

Lý Đa Tạo

MỤC LỤC

BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 16 BÀI 3: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

BÀI 4: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

BÀI 5: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 43 BÀI 6: CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 50

2 Tính chất: là môn học cung cấp kiến thức về hệ thống truyền động điện, đọc hiểu

và xây dựng được các sơ đồ tự động dùng rờ le, contactor, của hệ thống truyền động điện

II MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC

1 Về kiến thức:

- Nhận dạng được tổ hợp các thiết bị điện cơ trong hệ truyền động điện

- Trình bày được nguyên tắc và biện pháp điều khiển tốc độ của hệ truyền động điện

- Tính chọn được động cơ điện cho hệ truyền động không điều chỉnh

- Phân tích được cấu tạo, nguyên lý của một số thiết bị điển hình như: soft stater, inverter, các bộ biến đổi

2 Về kỹ năng:

- Kết nối mạch điều khiển tốc độ của các loại động cơ điện một chiều và xoay chiều

- Kết nối mạch điều khiển, vận hành hệ thống truyền động điện

- Tính toán các thông số kỹ thuật trong chọn lựa động cơ điện và bộ điểu khiển

3 Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Ứng dụng vận hành, sửa chữa hệ thống truyền động điện trong thực tế công việc

III NỘI DUNG MÔN HỌC

1 Nội dung tổng quát và phân bố thời gian:

Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập

Kiểm tra

của động cơ điện

chiều kích từ độc lập/song song

Kiểm tra định kỳ lần 1 1

chiều kích từ nối tiếp

Cộng 60 45 12 3

2 Nội dung chi tiết:

Bài 1: Cơ học truyền động điện Thời gian: 4 giờ

A Mục tiêu:

- Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện

- Tính toán qui đổi mô men cản, lực cản, mô men quán tính về trục động cơ

- Xây dựng được phương trình chuyển động của hệ truyền động điện

- Phân biệt được các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện

B Nội dung:

I Phụ tải và phần cơ của truyền động điện

II Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính toán qui đổi các khâu cơ khí của truyền động điện

III Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ

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

Bài 2: Các đặc tính cơ và trạng thái làm việc của động cơ điện

Thời gian: 8 giờ

I Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm

II Đặc tính của động cơ điện không đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm III Đặc tính của động cơ điện đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm

Bài 3: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ độc lập/song song

Thời gian: 12 giờ

I Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

II Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

III Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng

IV Kết nối ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập/song song

Kiểm tra định kỳ lần 1 Thời gian: 1 giờ

Bài 4: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Thời gian: 8 giờ

A Mục tiêu:

- Dựa vào phương trình đặc tính cơ, xây dựng các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Kết nối mạch điều khiển cho ứng dụng thực tế

B Nội dung:

I Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

II Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng

III Kết nối ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Bài 5: Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ

Thời gian: 12 giờ

I Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator

II Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rotor

III Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực p

IV Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số

V Kết nối ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Kiểm tra định kỳ lần 2 Thời gian: 1 giờ

Bài 6: Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện

Thời gian: 16 giờ

A Mục tiêu:

- Chọn đúng công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ

- Chọn gần đúng công suất động cơ cho những truyền động có đIều chỉnh tốc độ

- Kiểm nghiệm công suất động cơ sau khi đã chọn cho phù hợp với máy sản xuất theo nguyên lý phát nhiệt của máy điện

- Kết nối ứng dụng dùng soft starter và các mạch bảo vệ động cơ

B Nội dung:

I Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát nhiệt

II Chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ

III Chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ

IV Kiểm nghiệm công suất động cơ

V Khởi động và dừng mềm dùng soft starter

VI Các mạch bảo vệ (bảo vệ mất pha, bảo vệ đảo thứ tự pha, bảo vệ quá áp, bảo vệ

thấp áp, bảo vệ quá nhiệt)

Kiểm tra định kỳ lần 3 Thời gian: 1 giờ

IV ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN MÔN HỌC

1 Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng:

2 Các điều kiện khác:

- PC, máy chiếu,

3 Trang thiết bị, máy móc:

- Các mô hình mô phỏng điều khiển hệ thống truyền động điện

- Các động cơ điện một chiều, xoay chiều

- Bộ khởi động mềm, biến tần, bộ bảo vệ động cơ,

4 Học liệu, dụng cụ, nguyên liệu:

- Dụng cụ thực hành điện, dây điện, contactor, rờ le, nút nhấn,

V NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ

1 Nội dung:

- Về kiến thức:

+ Các đặc tính của động cơ, các phương pháp điều khiển tốc độ truyền động điện + Các phương pháp ổn định tốc độ truyền động điện

+ Chọn được công suất động cơ phù hợp yêu cầu của tải

+ Các đặc tính kỹ thuật của biến tần, khởi động mềm

- Về kỹ năng:

+ Lắp đặt và vận hành các mạch khởi động, điều chỉnh tốc độ, mạch hãm động cơ điện

+ Tính chọn công suất động cơ phù hợp với phụ tải

+ Nhận dạng các thiết bị điều khiển truyền động

+ Xử lý các lỗi trong các bộ điều khiển truyền động

+ Kết nối dây và điều khiển được các loại động cơ khác nhau trong mô hình thí nghiệm

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Rèn luyện được tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc

2 Phương pháp:

Áp dụng hình thức kiểm tra tự luận Các nội dụng trọng tâm cần kiểm tra là:

- Xây dựng phương trình đặc tính cơ của các loại động cơ

- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện

- Tính chọn công suất động cơ phù hợp với phụ tải

- Kết nối điều khiển được hệ thống trong mô hình thí nghiệm

VI HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔN HỌC

1 Phạm vi áp dụng môn hoc:

- Chương trình môn học này được sử dụng để giảng dạy cho trình độ Cao đẳng

2 Hướng dẫn về phương pháp giảng dạy, học tập môn học:

- Trước khi giảng dạy, giáo viên cần căn cứ vào nội dung của từng bài học để chuẩn

bị đầy đủ các điều kiện cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng giảng dạy

- Nên áp dụng phương pháp đàm thoại để Học viên ghi nhớ kỹ hơn

- Khi giải bài tập, làm các bài thực hành Giáo viên hướng dẫn, thao tác mẫu và sửa sai tại chỗ cho Học viên

- Nên sử dụng các mô hình, học cụ mô phỏng để minh họa các bài tập ứng dụng các

hệ truyền động điện, các loại thiết bị điều khiển

3 Những trọng tâm cần chú ý:

- Các đặc tính làm việc, khởi động, hãm của các loại động cơ

- Các phương pháp điều chỉnh, ổn định tốc độ truyền động điện

- Cấu tạo, nguyên lý, nhận dạng các thiết bị điều khiển: biến tần, khởi động mềm, bộ bảo vệ động cơ

- Sửa chữa một số hư hỏng thường gặp

4 Tài liệu tham khảo:

- Truyền động điện, Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2013

- Cơ sở truyền động điện tự động, Bùi Đình Tiếu - Phạm Duy Nhi, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2008

- Cơ sở truyền động điện tự động, Nguyễn Xuân Phú - Nguyễn Công Hiền - Nguyễn Bội Khê, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1998

- Trang bị điện – điện tử, Vũ Quang Hồi – Nguyễn Văn Chất – Nguyễn Thị Liên Anh, NXB Giáo dục, Hà Nội 2011

- Phân tích tổng hợp hệ thống điều khiển tự động truyền động điện, Trịnh Đình Đề, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1996

- Các sách báo và tạp chí về điện

5 Ghi chú và giải thích (nếu có)

BÀI 1: CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Mục tiêu của bài:

- Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện

- Tính toán qui đổi mô men cản, lực cản, mô men quán tính về trục động cơ

- Xây dựng được phương trình chuyển động của hệ truyền động điện

- Phân biệt được các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện

I Phụ tải và phần cơ của truyền động điện

1 Định nghĩa hệ thống truyền động điện

Hệ truyền động điện là tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết

bị điện tử,… phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản xuất

2 Phụ tải của truyền động điện

Phụ tải hay chính là cơ cấu công tác của hệ truyền động điện Phụ tải của hệ truyền động điện rất đa dạng Tính chất của mỗi loại phụ tải khác nhau sẽ tạo nên những

hệ truyền động điện khác nhau

Đặc trưng cho phụ tải của hệ truyền động điện là sự hình thành mômen cản tác động lên trục động cơ Mỗi cơ cấu công tác khác nhau sẽ tạo ra mômen cản khác nhau, ví dụ như: mômen cản thế năng, mômen cản phản kháng,

a Lực cản và mômen cản

Lực cản và mômen cản bao gồm 4 thành phần chính:

4 3 2

b Phân loại phụ tải của truyền động điện

+ Mômen cản phụ thuộc vào chiều chuyển động

- Mômen phản kháng: là loại mômen mà chiều của nó luôn chống lại chiều chuyển động như mômen ma sát trên trục các máy sản xuất Qui ước chiều âm của mômen trùng chiều dương của tốc độ

- Mô men cản thế năng: là loại mômen cản do tải trọng sinh ra trong các máy

nâng hạ, tời, cần trục Loại mômen cản này có chiều không phụ thuộc vào chiều chuyển động

+ Mômen cản phụ thuộc vào góc quay

+ Mômen cản phụ thuộc vào hành trình

+ Mômen cản phụ thuộc vào thời gian

- Phụ tải dài hạn không đổi

- Phụ tải dài hạn biến đổi liên tục

- Phụ tải thay đổi đột biến

- Phụ tải ngắn hạn

- Phụ tải ngắn hạn lặp lại

3 Phần cơ của truyền động điện

Phần cơ của hệ truyền động điện bao gồm các phần tử chuyển động từ rotor động

cơ cho đến các cơ cấu công tác Mỗi phần tử chuyển động được đặc trưng bởi các đại lượng sau:

1 Các khâu cơ khí của truyền động điện

Các khâu cơ khí của truyền động điện là những cơ cấu dùng để truyền cơ năng từ động cơ đến các bộ phận công tác của máy Thông thường có biến đổi tốc độ, lực, hoặc mômen, nhưng đôi khi có biến đổi cả đặc tính và qui luật chuyển động Có thể chia làm 2 nhóm chính:

- Truyền động bằng ma sát: truyền động bánh ma sát (tiếp xúc trực tiếp), truyền động đai (tiếp xúc giáp tiếp)

- Truyền động bằng ăn khớp: truyền động bánh răng, truyền động trục vít, bánh vít (tiếp xúc trực tiếp), truyền động xích (tiếp xúc gián tiếp)

2 Tính toán qui đổi các khâu cơ khí của truyền động điện

b Mômen và lực qui đổi

Quan niệm về sự tính toán qui đổi như việc dời điểm đặt từ trục này vể trục khác của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát trong bộ truyền lực Thường qui đổi mômen

Điều kiện qui đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ hệ truyền động điện

Hình 1.1: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ

P tổn thất trong các khâu cơ khí

* Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay:

đ cqđ i

lv lv i

M

i lv đ

i

lv lv cqđ

* Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực qui đổi:



.

lv cqđ

F

M 

Trong đó:

lv

đ

v



+ Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ:

Ptr = Pc - P (Tương tự như khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất)

c Qui đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính

Điều kiện qui đổi: bảo toàn động năng tích lũy trong hệ thống





n i

W W

1

2

1

v m

W 

q j j

n i i đ

đ đ qđ

v m J

J J

1 2

1

2 2

2

2 2

2 2

i đ

qđ

m i

J J

J

2 2

Trong đó:

mj khối lượng của tải trọng thứ j

III Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ

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 của máy sản xuất:

(

đm co đm co

Hình 1.2: Đặc tính cơ của một số máy sản xuất

Ta có các trường hợp số mũ  ứng với các tải:

+ Khi  = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu hình máy tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy,… (đường 4) Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (lực cản) càng lớn

máy, băng tải,… (đường 1)

+ Khi  = 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,… (đường 2)

+ Khi  = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạt gió, máy nén,… (đường 3)

Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác như: mômen phụ thuộc vào góc quay, mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi, mômen phụ thuộc vào thời gian

2 Đặc tính cơ của động cơ

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

M = f() Thường phân biệt 2 loại đặc tính cơ:

a 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 Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên

b Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được khi

có 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 thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo

c Độ cứng đặc tính cơ: đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái

niệm “độ cứng đặc tính cơ” và được tính:

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

Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của hệ truyền động điện Có thể lập Bảng 1-1:

TT Biểu đồ công suất P điện P cơ  P Trạng thái làm việc

suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay

2 Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, 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 một 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 Mômen của máy sản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ

Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ là:

Pđ = Pc + P Trong đó:

Pc công suất cơ

Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải Trạng thái động cơ phân

bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng (,M)

Trạng thái hãm có: hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng (,M)

* Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng (,M)

Trạng thái động cơ: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư I và góc phần

tư III của mặt phẳng (,M), (hình 1.3)

Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư II và góc phần

tư IV của mặt phẳng (,M), (hình 1.3)

Hình 1.3: Trạng thái làm việc của truyền động điện trong góc phần tư đặc tính cơ

BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC

CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Mục tiêu của bài:

- Thành lập được phương trình và vẽ được dạng đặc tính cơ điện của các động cơ điện một chiều (DC), động cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ

- Thành lập phương trình đặc tính cơ, các trạng thái làm việc của các động cơ: một chiều, không đồng bộ, đồng bộ

- Thành lập được bảng so sánh các trạng thái làm việc, phạm vi ứng dụng có thể có của các động cơ dùng trong truyền động điện

I Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm

1 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và song song

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi 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 2.1)

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập (hình 2.2)

Hình 2.1: Sơ đồ nối dây của động cơ

K a

N p

Trong đó:

55 , 9 60

K

R R K

U

Biểu thức (2-3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mđt = K Iư (2-4)

dt p u

K

R R K

U

.).(

2

)( 

2

b Vẽ đặc tính cơ tự nhiên

Vì đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng nên khi vẽ ta chỉ cần xác định 2 điểm của đường thẳng

Ta thường chọn: điểm không tải lý tưởng và điểm định mức

* Đặc tính cơ điện tự nhiên:

Hình 2.3: Cách vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên (a) và đặc tính cơ tự nhiên (b)

của động cơ một chiều kích từ độc lập

sự chuyển mạch khó khăn, hoặc sinh ra lực điện động lớn làm phá hủy quá trình cơ học của máy

Do đó, người ta thường mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập

cp đm p

u

đm nm

R R

U I

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng

+ Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về lưới)

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng

với chế độ động cơ, dòng điện và mômen cản đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức:

0

u u h

R

K K

R

E U

0

Có hai trường hợp hãm ngược:

- Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng

- Đảo chiều điện áp phần ứng

Hình 2.4: Đảo chiều điện áp phần ứng

+ Hãm động năng

Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích lũy được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

Có hai trường hợp hãm động năng:

- Hãm động năng kích từ độc lập: động cơ đang quay ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều, và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ

Hình 2.5: Hãm động năng kích từ độc lập

- Hãm động năng tự kích từ: động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích

từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm

Hình 2.6: Hãm động năng tự kích từ

2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và hỗn hợp

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

dễ dàng Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích nối tiếp được mô tả trên hình dưới đây

Vì dòng kích từ cũng là dòng phần ứng nên từ thông của động cơ biến đổi theo dòng điện phần ứng

Hình 2.7: Sơ đồ nối dây động cơ một chiều kích từ nối tiếp





Sau khi biến đổi ta nhận được:

u

u I K

R K

R K

U u

2

) ( 

R I C K

U

u

u

R M C K

U u

.

động cơ điện người ta sử dụng phương pháp đồ thị giải tích dựa vào các đường cong thực nghiệm đã cho, gọi là các đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

c Trạng thái khởi động

Tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập, để hạn chế dòng khởi động, người ta cũng đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó loại dần đi để đưa tốc độ động cơ lên xác lập

cp đm p

u

đm nm

R R

U I

d Các trạng thái hãm

chỉ thực hiện được hãm ngược và hãm động năng chứ không có trạng thái hãm tái sinh

+ Hãm ngược

- Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng

- Đảo chiều điện áp phần ứng

- Cấu tạo đơn giản

- Giá thành hạ so với động cơ DC

- Vận hành tin cậy, chắc chắn, không cần linh kiện phụ

Nhược điểm:

- Điều chỉnh tốc độ khó

- Khống chế quá trình quá độ khó khăn, các động cơ lồng sóc có các chỉ tiêu khởi

động xấu (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ)

1 Phương trình đặc tính cơ

Để lập phương trình đặc tính cơ ta sử dụng sơ đồ thay thế một pha hình 2.10

Hình 2.10: Sơ đồ thay thế một pha động cơ KĐB Trong đó:

I’2 dòng rotor đã quy đổi về stator (A)

s là hệ số trượt của động cơ:

1 1 1

1

n

n n

1

n p

60

Từ sơ đồ thay thế:

] )

(

1 1

[

2 2 ' 2 1

2 2 1 1

nm

f

X s

R R X

R U I

động cơ

2 2 ' 2 1

1 '

R R

U I





stator sang rotor:

P12 = Mđt.1

 M.1M.P2

2 ' 2

.

3



s

I R

M 

Ta được:

] )

[(

.

3

2 2 ' 2 1 1

' 2 2 1

nm

f

X s

R R s

R U M

Ta được:

2 2 1

' 2

nm

th

X R

R s

2

3

2 2 1 1 1

2 1

nm

f th

X R R

U M

2 R p

R 

Để vẽ đặc tính cơ tự nhiên ta tìm các điểm 1, đm, sđm, sth, Mđm, Mth, Mkđ (hay Mnm)

Hình 2.11: Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB

3 Trạng thái khởi động

Các yêu cầu về khởi động cũng như các phương pháp khởi động của động cơ không đồng bộ nói chung không khác biệt với động cơ một chiều kích từ độc lập ta đã xét Đối với động cơ rotor dây quấn để hạn chế dòng khởi động, tăng mômen khởi động người ta đưa điện trở phụ vào mạch rotor trong quá trình khởi động, sau đó loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp

Hình 2.12: Khởi động động cơ KĐB bằng cách đưa điện trở phụ vào mạch rotor

4 Các trạng thái hãm

a Hãm tái sinh

việc ở trạng thái động cơ, thì từ trường quay cắt các thanh dẫn của cuộn dây stator và rotor

b Hãm ngược

- Hãm ngược bằng cách thêm điện trở phụ lớn vào mạch rotor

- Hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường stator (thực hiện bằng cách đảo 2 trong

3 pha động cơ)

c Hãm động năng

- Hãm động năng kích từ độc lập: động cơ đang hoạt động, ta thực hiện cắt động

cơ ra khỏi lưới điện (mở tiếp điểm K), và đóng vào nguồn một chiều (đóng tiếp điểm H)

III Đặc tính của động cơ điện đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm

Động cơ đồng bộ được sử dụng khá rộng rãi trong những truyền động công suất trung bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao Động cơ đồng bộ thường dùng cho các máy bơm, quạt gió, các hệ truyền động của nhà máy luyện kim,…

Ưu điểm của động cơ đồng bộ là có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cos và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao

1 Đặc tính cơ

đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ đồng bộ không phụ thuộc vào tải

tốc độ động cơ sẽ lệch khỏi tốc độ đồng bộ

2 Vẽ đặc tính cơ tự nhiên

3 Trạng thái khởi động

Mạch rotor của động cơ đồng bộ có hai cuộn dây: cuộn dây kích từ để sinh ra

từ trường trong máy và cuộn dây khởi động kiểu lồng sóc và dây quấn

Quá trình khởi động của động cơ đồng bộ gồm hai giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: stator của động cơ được đấu vào nguồn điện xoay chiều, còn cuộn

được khởi động như một động cơ không đồng bộ

+ Giai đoạn 2: cuối giai đoạn thứ nhất khi tốc độ đạt (95%  98%) tốc độ đồng

bộ Lúc này ta đưa dòng kích từ vào rotor để tạo ra mômen đưa tốc độ động cơ lên đồng

bộ

Giai đoạn này rất quan trọng vì nếu không đưa động cơ quay với tốc độ đồng

bộ được thì động cơ sẽ làm việc ở trạng thái không đồng bộ và cuộn khởi động sẽ bị phát

hoặc biến áp tự ngẫu để hạn chế dòng khởi động, sau đó ngắn mạch chúng

4 Các trạng thái hãm

Đối với động cơ đồng bộ thường dùng phương pháp hãm động năng Khi động

cơ đang quay, muốn hãm động năng ta cắt stator khởi lưới điện xoay chiều rồi đóng vào điện trở phụ ba pha, còn rotor vẫn được kích từ như trước đó Sơ đồ nguyên lý khi hãm động năng động cơ đồng bộ được thể hiện trên hình 2.16

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý hãm động năng động cơ đồng bộ Đặc tính cơ hãm động năng có dạng như của động cơ không đồng bộ khi hãm động năng kích từ độc lập

Trạng thái hãm tái sinh của động cơ đồng bộ có thể xảy ra khi động cơ làm việc

ở đoạn đặc tính cơ nằm ở góc phần tư thứ II trên hệ tọa độ (M,ω) Lúc này động cơ đồng

bộ làm việc ở chế độ máy phát biến cơ năng thành điện năng trả về lưới

BÀI 3: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

KÍCH TỪ ĐỘC LẬP HOẶC SONG SONG

Mục tiêu của bài:

- Dựa vào phương trình đặc tính cơ, xây dựng các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập/song song

- Kết nối mạch điều khiển cho ứng dụng thực tế

I Khái niệm về điều chỉnh tốc độ hệ truyền động điện; tốc độ đặt; chỉ tiêu chất lượng của truyền động điều chỉnh

1 Khái niệm về điều chỉnh tốc độ hệ truyền động điện

Hệ thống truyền động điện không chỉ làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng, mà còn điều khiển quá trình làm việc của cơ cấu công tác theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất Yêu cầu công nghệ có thể được đảm bảo nếu hệ có khả năng đặt trước các thông số gia công cho từng công đoạn, duy trì các thông số đó với một độ chính xác nào đó (như tốc độ, mômen, gia tốc, vị trí của cơ cấu công tác …), cưỡng bức thay đổi các giá trị đó theo ý muốn, hạn chế giá trị của chúng theo mức cho phép của quá trình công nghệ hoặc theo khả năng về độ bền, độ quá tải của máy

Các thông số gia công nói trên có liên quan đến mômen M và tốc độ  của động cơ điện, có các mối quan hệ được định nghĩa:

a Các thông số đầu ra hay còn gọi là thông số được điều chỉnh

Đó là mômen M, tốc độ  của động cơ, …

Do M và  là 2 trục của mặt phẳng tọa độ đặc tính cơ [M, ], nên việc điều chỉnh chúng thường gọi là “điều chỉnh tọa độ”

b Các thông số đầu vào hay còn gọi là thông số điều chỉnh

c Các phần tử điều khiển

Là các thiết bị hoặc dụng cụ làm thay đổi các thông số đầu vào

Chú ý: người ta thường gọi việc điều chỉnh các thông số đầu ra là “điều khiển động cơ

điện”

2 Điều chỉnh không tự động và điều chỉnh tự động

a Điều chỉnh không tự động

Là việc thay đổi thông số đầu ra bằng cách tác động lên thông số đầu vào một cách rời rạc Mỗi lần tác động ta có một giá trị không đổi của thông số đầu vào và tương ứng ta được một đường đặc tính cơ (nhân tạo) Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn (như phụ tải thay đổi, điện áp nguồn dao động, …) sẽ tác động vào hệ, nhưng thông số đầu vào vẫn giữ không đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ

Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hay “điều chỉnh không

tự động” hoặc “điều chỉnh vòng hở” Phương pháp điều chỉnh này đơn giản nên vẫn được dùng trong các hệ truyền động điện hiện đại, tuy nhiên nó không đảm bảo được các yêu cầu cao về chế độ công nghệ

b Điều chỉnh tự động

Được thực hiện nhờ sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào theo mức độ sai lệch của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đó Như vậy khi

có tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thông số đầu ra, thì thông số đầu vào sẽ thay đổi

và động cơ sẽ có một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển

từ đường đặc tính nhân tạo này sang đặc tính nhân đạo khác và vạch ra một đường đặc tính

cơ của hệ điều chỉnh tự động

Vì vậy có thể định nghĩa: “đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động là quỹ tích của các điểm làm việc của động cơ trên vô số các đặc tính cơ của hệ điều chỉnh vòng hở” Hay còn gọi là “quỹ đạo pha trên tọa độ đặc tính cơ”

Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi, mạch này lấy tín hiệu từ thông số đầu ra hoặc một thông số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vòng kín” Hệ điều chỉnh tự động tuy phức tạp nhưng đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao

c Nhiễu của các thông số đầu ra

Đối với các hệ truyền động và động cơ điện, có hai thông số đầu ra chủ yếu là mômen và tốc độ Có nhiều loại nhiễu gây tác động lên các thông số này như điện áp nguồn, tần số lưới điện, nhiệt độ môi trường, hệ số tự cảm của cuộn dây,… nhưng ta quan tâm đến các tác động nhiễu loạn chủ yếu

Khi điều chỉnh tốc độ, thông số được điều chỉnh là , thông số điều chỉnh là một trong các thông số tạo ra đặc tính nhân tạo, còn nhiễu loạn chủ yếu là phụ tải biểu thị bằng

Ngược lại, khi điều chỉnh mômen hoặc dòng điện, thông số được điều chỉnh là M hoặc I, thì nhiễu loạn chủ yếu lại là tốc độ  Sự ảnh hưởng qua lại giữa hai đại lượng M

và  được thể hiện bằng đường đặc tính cơ và phương trình của nó