Đề cương cơ sở truyền động điện hàng hải

Câu 1 Vẽ sơ đồ cơ cấu cơ học điển hình của hệ truyền động điện Quy đổi mô men cản về trục động cơ điện 1 là động cơ điện có mô men quán tính ; tốc độ mô men quay của động cơ 2 là hộp giảm tốc có hiệu.

Câu 1: Vẽ sơ đồ cơ cấu cơ học điển hình của hệ truyền động điện Quy đổi mô men cản về trục động cơ điện.

1- là động cơ điện có mô men quán tính: J đ; tốc độ: ω đ ; mô men quay của động cơ:M đ

2- là hộp giảm tốc có hiệu suất: η; hệ số truyền: i; và có số bánh răng là: k

3- là trống tời quấn dây có mô men quán tính: J t; tốc độ: ω t ; mô men cần quay trên trống tời

mà động cơ sẽ thực hiện:M t

4- là tải trọng có trọng lực G; vận tốc V; lực tác động lên dây cáp: F c; khối quán tính: m

Tính toán quy đổi mô men cản về trục động cơ điện:

- Để tính toán quy đổi mô men trên trống tời (Mt) về trục động cơ cần đảm bảo công suất của hệ trước và sau khi quy đổi là như nhau

- Công suất trên trục động cơ: P đ =M đ .ω đ =M c .ω đ

- Công suất trên trục trống tời: P t =M t ω t

Với :i= ω đ

ωt được gọilàtỷ số truyền của hệ; η−hiệu suất của bộgiảm tốc

η= P t

Pđ=

P t

Pc M t η .ω t =M c ω đ

M c =M t 1 η . ω t

η 1 i

Câu 2: Vẽ sơ đồ cơ cấu cơ học điển hình của hệ truyền động điện Quy đổi mô men quán tính về trục động cơ điện.

1- là động cơ điện có mô men quán tính: J đ; tốc độ: ω đ ; mô men quay của động cơ:M đ

2- là hộp giảm tốc có hiệu suất: η; hệ số truyền: i; và có số bánh răng là: k

3- là trống tời quấn dây có mô men quán tính: J t; tốc độ: ω t ; mô men cần quay trên trống tời

mà động cơ sẽ thực hiện:M t

4- là tải trọng có trọng lực G; vận tốc V; lực tác động lên dây cáp: F c; khối quán tính: m Tính toán quy đổi mô men quán tính của hệ về trục động cơ điện:

Giả thiết:

- Động cơ có mô men quán tính là Jđ

- Hộp tốc độ gồm có k bánh răng, mỗi bánh răng có mô men quán tính là J1,

J2 Jk ,vận tốc góc là ω1 ,ω2 …ωk ;

- Tang trống quay có mô men quán tính Jt, tốc độ góc là ωt

+ Tiến hành quy đổi các đại lượng cơ học trên về trục động cơ với mô men quán tính quy đổi là J và khi qui đổi cần đảm bảo động năng của hệ không thay đổi, nghĩa là:

J đ ωđ2

1

k

J n ωn2

2 +J t ωt2

2

ωđ2

2

J đ ω đ2

1

k

J n ω n2

2 +J t

ω t2

2

ω đ2

2

i n=ω đ

ωn −tỷ số truyềncủa cáccặp bánh răng;

i t=ω đ

ω t −tỷ số truyền của hộp giảmtốc ρ=

ω đ

Câu 3: Viết phương trình chuyển động của hệ truyền động điện và nêu các trạng thái công tác của hệ truyền động điện.

Phương trình chuyển động quay của hệ truyền động điện:

M đg =M đ −M c =J dω

dt + ω

2

2

d(J ) dα

+ Giới thiệu các thành phần của phương trình chuyển động :

Mđ : Mô men do động cơ sinh ra để gây chuyển động

Mc : Mô men của phụ tải đã quy đổi về trục động cơ

Mđg: Mô men động đặc trưng cho sự thay đổi động năng của hệ

J: Mô men quán tính của hệ

α: Góc quay của trục động cơ

ω: Tốc độ góc của động cơ

+ Phân tích các trạng thái công tác của hệ truyền động điện:

Mđg > 0 , Mđ > Mc hệ tăng tốc khi ω >0 , hãm khi ω <0

Mđg < 0 , Mđ < Mc hệ giảm tốc khi ω <0 , hãm khi ω >0

Mđg = 0 , Mđ = Mc đây là trạng thái làm việc xác lập của hệ với ω = ωxl

Câu 4: Vẽ sơ đồ nguyên lý, viết phương trình và vẽ dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song (độc lập)

Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ song song (độc lập):

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song (độc lập):

+

R P

R ĐC

I KT

ϕ KT

I ư

E ư

ω= U

K ϕ−

R ư +R p

¿¿

Trong đó: ω: tốc độ góc của động cơ; U: Điện áp trên cuộn dây phần ứng

R ư: Điện trở mạch phần ứng (R p điện trở phụ nếu có)

Φ: Từ thông kích từ dưới một cực;  M :Mô men trên trục động cơ

K: hệ số cấu tạo của động cơ

Dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song (độc lập):

ω= U

k ϕ =ω0gọi là tốc độ không tải lý tưởng

M=K Φ đm I nm =M nm =M kđ gọi là mô men khởi động

β= d(M )

dω =−(K ϕ) 2

R ư +R p    - Độ cứng đặc tính  cơ

M đm−mô men  định mức  

ω đm - tốc độ định mức

Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song còn có dạng:

ω=ω0− M

|β|

Câu 5 Viết phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập và vẽ dạng đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng

R p ≠ 0

R p=0

M NTnm

ω NTđm

M

0

ω

M nm

M đm

ω0

ω đm

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

ω= U

K ϕ−

R ư +R p

¿¿

Trong đó: ω: tốc độ góc của động cơ; U: Điện áp trên cuộn dây phần ứng

R ư: Điện trở mạch phần ứng(R p điện trở phụ nếu có)

Φ: Từ thông kích từ dưới một cực;  M :Mô men trên trục động cơ

K: hệ số cấu tạo của động cơ

Sự ảnh hưởng của điện áp mạch phần ứng:

- Giả thiết rằng Rp = 0 ,  = đm = hằng số(const), khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng ta nhận được

ω= U đm

K ϕ đm =ω0=var β= dM dω =−(K ϕ đm)2

Dạng đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng:

Như vậy, khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng thay đổi, còn độ cứng đặc tính cơ giữ nguyên Ta thu được một họ đường đặc tính cơ nhân tạo song song với nhau

Câu 6: Viết phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song và vẽ dạng đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song:

M

ω

U đm >U1>U2

U2

U1

U đm

ω03

ω02

0

ω01

ω= U

K ϕ−

R ư +R p

¿¿

Trong đó: ω: tốc độ góc của động cơ; U: Điện áp trên cuộn dây phần ứng

R ư: Điện trở mạch phần ứng(R p điện trở phụ nếu có)

Φ: Từ thông kích từ dưới một cực;  M :Mô men trên trục động cơ

K: hệ số cấu tạo của động cơ

Sự ảnh hưởng của điện trở phụ mạch phần ứng:

- Giả thiết rằng: U = Uđm,  = đm , muốn thay đổi điện trở tổng của mạch phần ứng ta thay đổi RP và trong trường hợp này ta có:

Dạng đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng:

+ Nhận xét: Khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi, còn độ cứng đặc tính cơ mềm hơn

Câu 7 Viết phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song và vẽ dạng đặc tính cơ khi thay đổi từ thông động cơ

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song:

ω= K ϕđm U đm =ω0=const β= dM

dω =

−(K ϕ đm)2

R ư +R p =var

R p1 <R p2 <R p3

R p3

R P2

R p1

R p= ¿0

M

0

ω

ω0

Trong đó: ω: tốc độ góc của động cơ; U: Điện áp trên cuộn dây phần ứng

R ư: Điện trở mạch phần ứng(R p điện trở phụ nếu có)

Φ: Từ thông kích từ dưới một cực;  M :Mô men trên trục động cơ

K: hệ số cấu tạo của động cơ

Sự ảnh hưởng của từ thông mạch kích từ:

- Giả thiết rằng Rp = 0 , U = Uđm , khi thay đổi từ thông kích từ kt ta có:

Dạng đặc tính cơ khi thay đổi từ thông mạch kích từ:

Nhận xét: Khi thay đổi từ thông mạch kích từ thì tốc độ không tải lý tưởng tăng còn độ cứng đặc tính cơ mềm hơn

Câu 9 Vẽ sơ đồ nguyên lý, viết phương trình và vẽ dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

ω= U K ϕ−R ư +R p

¿¿

ω0= U k ϕ =Var β= d(M )

2

Rư =Var

Φ1>Φ2>Φ3

Φ3

Φ2

ω03

ω02

Φ1

ω01

ω

Câu 11 Viết các biểu thức mô men tới hạn, độ trượt tới hạn của động cơ điện không đồng

bộ ba pha và vẽ dạng đặc tính khi thay đổi điện áp nguồn.

Biểu thức Mth và Sth của động cơ:

Giải thích các lượng trong biểu thức trên:

U1: Trị số hiệu dụng điện áp pha ở stato

r1, r2’: Trị số điện trở mạch stato, mạch roto qui đổi về stato

x1, x2’: Trị số điện kháng mạch stato, mạch roto qui đổi về stato

Rf’: Điện trở phụ thêm vào mỗi pha của roto qui đổi về stato

s: Hệ số trượt hoặc độ trượt của động cơ

Nhận xét: Khi điện áp U1 thay đổi thì độ trượt tới hạn của động cơ không thay đổi, còn mô men tới hạn của động cơ thay đổi tỷ lệ với bình phương của điện áp lưới:

Các đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp nguồn đặt vào stato:

Câu 12 Viết các biểu thức mô men, độ trượt tới hạn của động cơ điện không đồng bộ ba pha và vẽ dạng đặc tính khi thay đổi điện trở rô to.

M th= 3.U12

√r12+x nm2 = r2' +R ' f

√r12+x nm2 =CONST

s

S = 0

S = 1

s th

U1.2< ¿

ω th

U1.1 <

M thTN

U 1 đm

ω1

ω

Các biểu thức Mth và Sth của động cơ:

M th= 3.U1

2

2 ω1.(r1+√r12+x nm2 )=Const ; s th= R2'

√r12+x nm2 = r2' +R ' f

√r12+x nm2 =Var

Giải thích các lượng trong biểu thức trên:

U1: Trị số hiệu dụng điện áp pha ở stato

r1, r2’: Trị số điện trở mạch stato, mạch roto qui đổi về stato

x1, x2’: Trị số điện kháng mạch stato, mạch roto qui đổi về stato

Rf’: Điện trở phụ thêm vào mỗi pha của roto qui đổi về stato

s: Hệ số trượt hoặc độ trượt của động cơ

Nhận xét: Khi thay đổi điện trở mạch rôto thì độ trượt tới hạn của động cơ thay đổi, còn mô men tới hạn của động cơ không thay đổi

Vẽ các đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch roto:

Câu 15 Vẽ sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng, viết phương trình và vẽ đặc tính cơ của hệ

Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều có điện trở phụ mạch phần ứng:

1

(R P1 +R¿¿P2+R P3) ¿

s th 1

s th 2

s th 3

s

0

ω th3

ω th2

M c

(R P 1 +R¿¿P2)¿

M thTN

ω1

ω

Phương trình đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng:

Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng:

[Phân tích quá trình giảm tốc độ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng:]

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập tại điểm a trên đường đặc tính cơ tự nhiên ứng với tải là Mc và tốc độ là ω1, khi thêm một điện trở Rp vào mạch phần ứng thì dòng phần ứng

M; ω

I ĐC

+

R P

R ĐC

I KT

ϕ KT

I ư

E ư

ω= U kϕ−R ư +R p

(kϕ)2 M

MC

b’

dtbt

đttn a’

ω0

ω2

ω1

M ω

Iư giảm đột ngột, còn tốc độ động cơ do có quán tính nên chưa thể biến đổi kịp Trên đặc tính

cơ điểm làm việc chuyển từ a đến b Khi dòng điện phần ứng giảm làm cho mô men quay của động cơ giảm M < Mc nên tốc độ động cơ giảm dần, đồng thời sđđ E ư =k ϕω giảm làm cho dòng điện phần ứng Iư lại tăng lên và mô men của động cơ lại tăng dần cho đến khi M =

Mc thì động cơ làm việc tại điểm a’ xác lập nhưng với tốc độ ω2< ω1.

Câu 16 Vẽ sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng, viết phương trình và vẽ đặc tính cơ của hệ.

Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ:

Phương trình đặc tính cơ khi thay đổi điện áp mạ ch phầ n ứng:

Trong đó: Φ đm:Từ thông định mức của động cơ ; ω0=k Φđm E b :Tốc độ không tải lý tưởng

|β| =|−(k Φ đm) 2

R b +R ư |: Độ cứng của đặc tính cơ; E b : sđđ của bộ biến đổi

Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp mạch phần ứng:

I b

E b

U đk

U KT

ϕ KT

-+ C

B

A

BBĐ

ω= E b

k ϕđm−

R b + R ư

(k ϕ đm)2M

ω=ω 0( ĐK) − M

|β|

ω=ω 0( ĐK) − M

|β|

đttn ω

Nhận xét:

- Nếu từ thông động cơ không đổi thì độ cứng của đặc tính cơ cũng không đổi và có họ đặc tính song song

- Đặc tính cơ của hệ mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên (do có thêm Rb)

- Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào tín hiệu Uđk của bộ biến đổi

Câu 17 Vẽ sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi từ thông kích từ, viết phương trình và vẽ đặc tính cơ của hệ.

Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi từ thông kích từ:

Phương trình đặc tính cơ khi thay đổi từ thông Φ của động cơ

+

R ĐC

I KT

ϕ KT

I ư

E ư

ω= U k ϕ−R ư

k ϕ =v ar ; β=−(kϕ) 2

R ư =var

Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông động cơ:

[Phân tích quá trình tăng tốc độ khi giảm từ thông kích từ động cơ.]

- Giả sử ban đầu động cơ đang làm việc với dòng kích từ định mức và tải là Mc1, điểm làm việc là điểm a trên đặc tính tự nhiên tương ứng với tốc độ là ωXL Nếu ta đưa thêm điện trở vào mạch kích từ làm cho Ikt giảm xuống và từ thông Φ < Φđm Do có quán tính cơ học nên tốc độ ro to biến đổi chậm hơn từ thông, sđđ phần ứng giảm làm cho dòng điện phần ứng tăng lên và xét khả năng khi giảm từ thông

- Nếu từ thông chỉ giảm trong phạm vi đủ nhỏ thì hiện tượng trên làm tăng mô men của động cơ và khi đó mô men động cơ là Mb > Mc1 làm cho động cơ tăng tốc độ, khi tốc

độ tăng nên sđđ tăng lên làm cho dòng điện phần ứng giảm Kết quả là mô men của động cơ giảm dần cho đến khi cân bằng với mô men cản thì hệ sẽ làm việc xác lập với tốc độ lớn hơn giá trị xác lập ban đầu trên đặc tính cơ

- Nếu giảm từ thông đến mức độ đủ lớn nào đó thì dòng phần ứng tăng lên rất lớn và gây sụt áp rất lớn trên mạch phần ứng và trường hợp này tổn thất trong mạch phần ứng(chính) tăng lớn nên phần năng lượng chuyển thành cơ năng bị giảm làm cho Mc<

Mc1 (điểm c) và động cơ sẽ bị giảm tốc độ và sẽ làm việc xác lập tại điểm tại điểm có tốc độ nhỏ hơn giá trị xác lập ban đầu

19 Viết biểu thức quy luật điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ không đồng bộ

ba pha theo điều kiện hệ số quá tải của động cơ không thay đổi và vẽ một dạng đặc tính

cơ minh họa.

M

ω XL

M b

M c

M c 2

ϕ đm >ϕ1>ϕ2

ϕ2

ω03

ω02

M c 1

0

ω

ω01

Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba pha bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cung cấp cho dây quấn stator động cơ

Trong đó:

U L ;f L là điện áp và tần số nguồn điện lưới với có giá trị không đổi

U1;f1 là điện áp và tần số ra của BBĐ là cấp cho động cơ có thể thay đổi được

Biểu thức của quy luật điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho dây quấn stator động cơ theo điều kiện hệ số quá tải của động cơ không thay đổi:

Như vậy: Ứng với các loại phụ tải khác nhau thì số mũ x sẽ có giá trị khác nhau khi đó quy luật điều áp và tần là khác nhau

Bảng thể hiện quan hệ các dạng tải và quy luật điều khiển tần số và điện áp nguồn:

Loại tải Giá trị

của q(x) Quy luật điều chỉnh U 1

Kiểu máy tiện -1 f 1*1/2

Ma sát nhớt, máy phát điện 1 f 1*3/2

Câu 20 Vẽ sơ đồ nối dây, viết biểu thức mô men tới hạn, độ trượt tới hạn của động cơ điện không đồng bộ ba pha khi cuộn dây stator nối hình tam giác(Δ) và hình sao kép(YY)

và vẽ đặc tính cơ khi đổi nối từ tam giác sang sao kép

C

B

AU L ,f L =const

f1=var (U¿¿1=var)¿

U ĐK

BBĐ Biến tần ĐC

R c đ

λ= M th

M c=

A∗U12

f12∗B∗f1X

=

A

B ∗U12

f1(2+ X) =C∗U12

f1(2+ X)

❑

U¿1=√f¿1(2+ X)

Sơ đồ nối cuộn dây stator theo hình tam giác đổi nối cuộn dây stator khi chuyển sang hình sao kép:

Các biểu thức mômen tới hạn, độ trượt tới hạn khi động cơ nối cuộn dây stator theo hình tam giác:

Các biểu thức mômen tới hạn, độ trượt tới hạn khi động cơ nối cuộn dây stator theo hình sao kép:

Đặc tính cơ của động cơ và phân tích quá trình điều chỉnh tốc độ:

YY ω

Nhận xét: Khi đổi nối từ tam giác sang sao kép tốc độ không tải lý tưởng tăng gấp đôi, còn

độ trượt giữ nguyên, chỉ có mô men tới hạn giảm 1/3

Câu 22 Viết phương trình phát nóng và vẽ dạng đường cong phát nóng, làm mát của động cơ điện khi làm việc ở chế độ dài hạn và khi nghỉ hẳn.

Phương trình phát nóng và nguội lạnh trong động cơ

A : Hệ số tỏa nhiệt

Đường cong phát nóng và làm mát (nguội lạnh) trong động cơ điện:

τ =τ ođ(1−e

−t

θ)+τ bđ .e

−t

θ ⟹ τ=f (t )

τ =T mđ 0C −T mt 0C Nhiệt sai giữa nhiệt độ của động cơ điện với môi trường;

τ ođ = ∆ P A : là nhiệt sai ổn định

θ= C

A: Hằng số thời gian phát nóng

τ bđ: là nhiệt sai ban đầu của động cơ

A : Hệ số tỏa nhiệt

C : Nhiệt dung riêng của động cơ điện

τ ođ 2

τ

:Dạng đường cong phát nóng

Phân tích sự ảnh hưởng của phương pháp làm mát đến động cơ điện

Về lý thuyết thì thời gian để động cơ đạt tới nhiệt sai ổn định là rất lớn tuy nhiên khi t = (3 -5)θ thì nhiệt độ đã đạt tới ổn định

- Hệ số thời gian phát nóng là khoảng thời gian cần thiết để đưa nhiệt độ của máy điện từ trị

số ban đầu tới trị số ổn định khi không có sự trao đổi nhiệt độ với môi trường bên ngoài

23 Trình bày phương pháp tính toán và lựa chọn công suất động cơ làm việc với phụ tải dài hạn, cho ví dụ minh hoạ.

A : Hệ số tỏa nhiệt

τ ođ 2

: Dạng đường còng toả nhiệt