Chương 3 động cơ điện một chiều

3.8 Khởi động động cơ DC kích từ độc lập • Nếu sử dụng nguồn có điểu khiển: mạch điều chỉnh điện áp nguồn sẽ làm hạn chế dòng điện phần ứng.. 3.8 Khởi động động cơ DC kích từ độc lập • N

Chương 3 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Đại cương

Đại cương

3.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Phần cảm (cố định) gồm 2p cực từ lồi mang dqkt đặt luân phiên Bắc-Nam Các

cực từ có gắn gông từ để dẫn từ thông

Phần ứng (quay): lõi thép hình trụ gồm nhiều lá thép ghép lại, có rãnh và răng

Dây dẫn được quấn thành từng cuộn đặt trong các rãnh Các đầu cuộn dây được đấu

ra các phiếm của vành góp

Vành góp (vành đổi chiều): gồm nhiều phiếm đồng cứng có dạng hình nêm, cách

điện với nhau và với trục phần ứng, được ghép thành một khối hình trụ

Tạo từ trường

3.2 Nguyên lý hoạt động của DC Motor

Quy tắc “Bàn tay trái” e l vB E  KEn 

3.2 Nguyên lý hoạt động của DC Motor

3.2 Nguyên lý hoạt động của DC Motor

3.2 Nguyên lý hoạt động của DC Motor

Phản ứng phần ứng của DC Motor

Các thông số cơ bản

• Pđm: công suất sử dụng,

• ωđm : vận tốc định mức

• Mđm : Moment định mức

• ηđm ; P 1đm ; ΔP đm : hiệu suất, Công suất tác dụng, công suất tổn hao

• Uưđm; Iưđm : điện áp phần ứng đ.nh mức, dòng điện phần ứng đ.nh mức

• Uktđm, Iktđm : điện áp kích từ đ.nh mức, dòng điện kích từ đ.nh mức

• Khả năng quá tải:

– khả năng quá tải moment M max /M đm

– khả năng quá tải dòng I ưmax /I ưđm

Mmax : moment cực đại cho phép; Iưmax : dòng điện phần ứng cực đại cho phép

Các thông số khác:

• Lư, Rư, τư = L ư /R ư : cảm kháng, điện trở và hằng số thời gian mạch phần ứng

• Lkt, Rkt, τkt = L kt /R kt : cảm kháng, điện trở và hằng số thời gian cuộn kích từ

ðm

ðm ðm

P P



1

3.3 Các phương trình cơ bản của DC Motor

K

I R U

M u

M2  

3.3 Các phương trình cơ bản của DC Motor

Phương tr.nh mô tả động cơ ở chế độ xác lập:

– M : moment động cơ, – K : hằng số của động cơ

Phân loại

R k

U

ktđt

u ktđt

d

) ( 



u ktđt

u ktđt

d

k

R k

U





3.4 Động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song

3.4 Động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song

• Dòng kích từ không đổi  từ thông không đổi: kΦ kt = K = const

• Nguồn điện cấp cho mạch phần ứng: Uư = Ud

E = kΦ ktđm ω m ; U d = E + R ư I ư ; M = k Φ ktđm I ư

Đối với động cơ lọai nhỏ và vừa, độ giảm vận tốc từ không tải đến đầy tải khỏang 5%

Ứng dụng: Động cơ DC kích từ độc lập được ứng dụng khi có yêu cầu điều chỉnh tốc

độ chính xác

u ktđt

u ktđt

d

k

R k

R k

U

ktđt

u ktđt

d

) ( 



3.4 Động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song

• Ví dụ 3.1: Cho động cơ DC kích từ độc lập với tham số:

kΦ ktđm = 3.0 Wb; Uưđm = 600V ; R ư = 2.0 Ω; I ưđm = 5.0A

a/-Xác đ.nh các tham số Mđm, Mkđ, Iưkđ khi nguồn điện cấp bằng đ.nh mức

b/- Xác đ.nh điện áp nguồn điện cấp để dòng khởi động bằng 6 lần giá tr đ.nh mức c/- Trong trường hợp giảm dòng khởi động bằng điện trở phụ nối tiếp với phần ứng, xác đ.nh độ lớn điện trở phụ để đạt giá tr dòng như câu b/-

ph

I

U I

U R

3.4 Động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song

• Ví dụ 2.2: Cho động cơ DC kích từ song song với các tham số sau:

Uưđm = 200V ; I ưđm = 10.5A; n đm = 2000 v/ph; R ư = 0.5 Ω; R kt = 400 Ω; M t = M đmt

Tính tóan vận tốc động cơ khi nguồn điện cung cấp U d=175V Giả thiết mạch từ

tuyến tính và moment tải không đổi

] [ 9299

0

60

2

.

Wb n

I R U

k

ðm

ýðm ý ýðm

0 Wb

k U

1

2 2

2 2

1

ph v n

k

k E

E n

n

n k

k E

E

ðm kt

ktðm ðm

3.5 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

3.5 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

• Từ thông là hàm biến thiên theo dòng phần ứng Trong vùng không bão hòa từ:

f

d m

f

kt u

u f

d m

f

u u

f

u kt d

m

K

R R

M K

U

K

R R

I K

U K

R I

K

I R U

3.5 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

• Đặc tính điện cơ: đạt moment lớn ở tốc độ thấp và moment giảm dần khi tốc độä tăng lên

Ưùng dụng: phù hợp cho tải đòi hỏi moment khởi động lớn hoặc moment quá tải lớn

Thông thường các động cơ DC có thể vận hành đến tốc độ hai lần đ.nh mức Do đó, không áp dụng hệ truyền động trên nếu động cơ chạy ở tốc độ lớn hơn hai

lần đ.nh mức khi tải nhỏ

3.5 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

• Ví dụ 2.3: Cho động cơ DC kích từ nối tiếp 220V chạy thuận chiều kim đồng hồ với tốc độ

1000 vòng/phút và có dòng điện qua mạch phần ứng bằng 100A Điện trở mạch kích từ và mạch phần ứng đều bằng nhau và bằng 0,05 Ω Động cơ kéo tải với moment không đổi

Hãy xácđịnh độ lớn, chiều quay của vận tốc và giá tr dòng điện qua phần ứng nếu ta thực hiện đảo các cực nguồn điện cấp cho phần ứng và số vòng dây cuộn ứng giảm còn 80%

] / [ 7

1117 8

0 8

.

2 2

2 2 2

I

I E

E n

n I

n I E

E

ý

ý ý

111 8

0

100 8

0

điện động dấu âm

Tham khảo thêm cách

giải khác ở trang 21

3.6 Động cơ một chiều kích từ hỡn hợp

• Kết hợp giư.a kích từ nối tiếp và kích từ song song

Đặc tính cơ của động cơ một chiều

3.7 Công suất và hiệu suất của động cơ một chiều

1 Công suất điện: P1 = UdId

• Tổn hao kích từ: Pk = UdIk

• Tổn hao phần ứng: Pư = UdIư

2 Công suất điện từ: Pđt =Pư – RưIư2 = UdIư – RưIư2 = EIư

3 Công suất ra (có ích): P2 = Pđt –P0 = M2ω

P



26

Chương 3: Truyền Động Động Cơ DC

3.8 Khởi động động cơ DC kích từ độc lập

3.8 Khởi động động cơ DC kích từ độc lập

• Thông thường, máy điện DC cho phép dòng qúa tải bằng 2 lần định mức Trường hợp đặc biệt có thể đạt đến khỏang 3,5 lần

• Khởi động động cơ DC bằng đóng nguồn áp trực tiếp lên phần ứng làm phát sinh dòng điện lớn  có thể làm hỏng động cơ

3.8 Khởi động động cơ DC kích từ độc lập

• Nếu sử dụng nguồn có điểu khiển: mạch điều chỉnh điện áp nguồn sẽ làm hạn chế dòng điện phần ứng

• Đặc tính khởi động với quá trình điện áp nguồn thay đổi dạng nhảy cấp Điểm làm việc của động cơ di chuyển thay đổi theo các đoạn thẳng 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6, 6-7 và 7-8

3.8 Khởi động động cơ DC kích từ độc lập

• Nguồn cố định và sử dụng biến trở chỉnh được mắc nối tiếp với phần ứng

• Thay đổi giá trị điện trở bằng contactor để giữ dòng trong phạm vi min, max cho trước, tương ứng với các giá trị moment Mmin và Mmax

• Quá trình khởi động được vẽ minh họa trên hình Điểm làm việc di chuyển theo đường 1-2, 2-3, 3-4, 4-5 và 5-6 Tai vị trí 6, quá trình khởi động kết thúc, moment động cơ cân bằng với moment tải, xác lập vận tốc làm việc của động cơ

3.8 Khởi động động cơ DC kích từ độc lập

• Nguồn cố định và sử dụng biến trở chỉnh được mắc nối tiếp với phần ứng

• Thay đổi giá trị điện trở bằng contactor để giữ dòng trong phạm vi min, max cho trước, tương ứng với các giá trị moment Mmin và Mmax

• Quá trình khởi động được vẽ minh họa trên hình Điểm làm việc di chuyển theo đường 1-2, 2-3, 3-4, 4-5 và 5-6 Tai vị trí 6, quá trình khởi động kết thúc, moment động cơ cân bằng với moment tải, xác lập vận tốc làm việc của động cơ

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

• Xảy ra khi E>U , năng lượng cơ chuyển thành điện năng trả về nguồn cung cấp làm tiết kiệm năng lượng Có hai khả năng hãm tái sinh:

– Điện áp U nguồn không đổi, hãm tái sinh xảy ra khi tác dụng của tải (thế năng) làm tốc độ động cơ tăng lớn hơn giá trị tốc độ không tải Chế độ hãm này không làm dừng động cơ được mà chỉ có tác dụng không cho phép vận tốc động cơ vượt quá một giá trị xác định bởi tải thế năng

– Điện áp U điều chỉnh được, ví dụ dùng bộ chỉnh lưu, với E cho trước, ta thực hiện điều khiển xung kích cho bộ biến đổi công suất để giảm điện áp nguồn cấp cho phần ứng Chế độ hãm tái sinh trong trường hợp này được áp dụng để điều khiển giảm vận tốc động cơ hoặc hãm nó dừng lại

• Trong quá trình hãm tái sinh, động cơ trở thành nguồn phát, chuyển công suất cơ thành điện trả về nguồn điện Do đó, để hãm tái sinh thực hiện được,nguồn phải có khả năng nhận năng lượng

3.9.1 Hãm tái sinh

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

• Giả thiết, động cơ đang làm việc

tại vị trí 1, bằng cách giảm dần

điện áp nguồn từ Ud1 xuống còn

Ud2, Ud3, Ud4, tọa độ làm việc

của động cơ chuyển dịch dần

theo các đoạn thẳng 1-2, 2-3,

3-4, 4-5, 5-6 và 6-7

• Tại vị trí 7, vận tốc động cơ đạt

xác lập với moment kéo bằng

moment cản của tải Khi dịch

chuyển giữa các vị trí 2-a, 4-b và

6-c, động cơ làm việc ở chế độ

hãm tái sinh

Đặc tính cơ điện của chế độ hãm tái sinh với nguồn điện áp dc thay đổi

 Phương trình mô tả động cơ kích

từ độc lập: Uư = Ud

ư kt

ư kt

d

k

R k



3.9.1 Hãm tái sinh

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

3.9.1 Hãm tái sinh

cho tải thế năng (nguồn U không

đổi): Tác dụng của đối trọng P

làm động cơ chạy vượt quá tốc

độ (điểm a) và nó làm việc ở

chế độ hãm tái sinh

• Moment hãm tăng dần để hạn

chế sự tăng vận tốc gây ra bởi

đối trọng

• Tại vị trí 1, moment tác dụng

của động cơ cân bằng với tác

dụng đối trọng và vận tốc động

cơ đạt trạng thái xác lập

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

• Ví dụ 3.4: Cho động cơ DC kích từ độc lập Uưđm=220V, Iưđm=200A,

nđm=800v/ph Điện trở Rư=0,06 Ω Nguồn điện cấp cho phần ứng là nguồn thay đổi được với điện trở trong Rd=0,04 Ω Xác định điện áp trong của nguồn khi họat động ở chế độ hãm tái sinh nếu tải có giá trị bằng 80% định mức và vận tốc 600v/ph

V I

R R

E U

V

E n

n E

V x

E

A xI

I xM

M

ý ý d

in

ýðm ý

ðm

140 )

160 (

) 04 , 0 06 , 0 ( 156 )

(

156 208

800

600

208 06

, 0 200 220

160 200

8 , 0 8

, 0

% 80

2

1 1

2 2

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

• phần ứng động cơ được cắt ra khỏi nguồn DC và chuyển sang mắc nối tiếp với điện trở Năng lượng tạo nên từ quá trình hãm được tiêu hao trên điện trở này và điện trở mạch phần ứng

• Khi họat động của động cơ là do nguồn điện điều chỉnh cung cấp, trước khi chuyển mạch phần ứng đấu vào điện trở phụ, cần thực hiện điều khiển đưa dòng điện phần ứng về giá trị không

3.9.2 Hãm động năng

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

3.9.2 Hãm động năng

• Phương trình mô tả:

chú ý: dấu của ωm và M, Iư: trái nhau

M k

R R

I k

R R

2 kt

ư h

m

ư kt

ư h

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

3.9.2 Hãm động năng

 Ví dụ 3.5: Động cơ DC kích từ song song có điện trở phần ứng 0,04 Ω và điện trở cuộn kích từ 10 Ω Động cơ chạy quá tải với moment 400Nm Đường cong từ hóa đo ở vận tốc n=600v/ph cho ở bảng sau :

Động cơ bị hãm động năng tự kích với điện trở hãm bằng 1 Ω Xác định vận tốc động cơ, tại đó động cơ kéo giữ được tải

Ikt [A] 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25

E [V] 25 50 73.5 90 102.5 110 116 121 125 129

kt 1

kt ph

kt

ph 1

kt kt

ph kt

kt 1

I R R

R I

I R

R I

R I.

kt ph

kt ph

1

10 1 I.

R

R R

600 2

E E

30 898 , 1

72 ,

199 2

60 k

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

3.9.2 Hãm động năng

 Ví dụ 3.6: Xác định giá trị điện trở phụ ở ví dụ 2.5 để động cơ giữ được tải ở vận tốc 1200v/ph Động cơ được cấp nguồn 250V

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

3.9.3 Hãm ngược

• Trường hợp nguồn dc đổi dấu: thực hiện bằng cách cắt mạch phần ứng

ra khỏi nguồn dc và đảo vị trí đấu dây nguồn dc vào mạch phần ứng Lúc này, sức điện động E và nguồn dc: cùng dấu  dòng điện hãm rất lớn

Do đó, để hạn chế dòng điện và moment hãm  lắp điện trở phụ mắc nối tiếp mạch phần ứng trước khi đấu trở lại vào nguồn

• Phương trình mô tả đặc tính cơ (Ud < 0):

M k

R R

k U

I k

R R

k U

ktđm

ý ph

ktđm

d m

ý ktđm

ý ph

ktđm

d m

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

3.9.3 Hãm ngược

• Do đặc tính cơ có moment khác zero lúc vận tốc bằng không, nên cần thực hiện ngắt nguồn ra khỏi động cơ để tránh hiện tượng động cơ tiếp tục quay theo chiều ngược lại

 hãm ngược được ưu tiên sử dụng khi điều khiển thay đổi chiều quay tốc độ

Hãm ngược: nguồn dc đổi dấu

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

3.9.3 Hãm ngược

• Trường hợp nguồn dc không đổi dấu: hãm ngược xảy ra khi thực hiện thả tải trọïng (tải thế năng) xuống ngược chiều vận tốc không tải của đặc tính cơ

Tương tự như trường hợp đầu  thực hiện lắp thêm điện trở mạch phần ứng

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

3.9.3 Hãm ngược

Hãm ngược có hiệu suất thấp vì công suất hãm và công suất từ nguồn chuyển sang dạng nhiệt tiêu hao trên các điện trở

3.9 Hãm động cơ DC kích từ độc lập

3.9.3 Hãm ngược

 Ví dụ 2.7: Cho động cơ DC kích từ độc lập 220V, 970v/ph, 100A, Rư=0,05

Động cơ bị hãm ngược khi đang chạy với vận tốc 1000 v/ph

a)-xác định điện trở phụ mắc thêm vào phần ứng để dòng hãm bằng 2 lần dòng định mức

b)-Xác định moment hãm

c)-Xác định moment động cơ khi tốc độ động cơ triệt tiêu.:

65 221 220

ph ư

d ư

I

E U

R R

Nm I

E M

ðm

u ðm

3 ,

423 60

/ 2 100

100 2

65 ,

R

U I

u ph

d

21 , 2

Khi vận tốc triệt tiêu: E=0

200

55,993

,



3.10 Điều khiển vận tốc động cơ một chiều kích từ độc lập

3.10.1 Điều khiển thay đổi điện áp phần ứng

• Điều khiển điện áp phần ứng để thay đổi vận tốc động cơ Từ thông

mạch kích từ được thiết lập không đổi bằng định mức

Phương trình mô tả:

Tham số điều khiển Ud

ư ktđm

ư ktđm

d

k

R k

R k

U

2 ktđm

ư ktđm

d m

3.10 Điều khiển vận tốc động cơ một chiều kích từ độc lập

3.10.1 Điều khiển thay đổi điện áp phần ứng

• Đặc tính cơ điện (xem H2.14a)

• Nếu lưới điện cung cấp là AC:

sử dụng bộ chỉnh lưu điều

khiển, hoặc máy biến áp có điều

chỉnh (tapper hoặc tự ngẫu) kết

hợp chỉnh lưu không điều khiển

• Nếu lưới điện cung cấp có dạng

một chiều, cần trang bị bộ biến

đổi điện áp một chiều và điều

khiển điện áp ngõ ra của nó cấp

cho động cơ

• Phạm vi điều khiển vận tốc: từ 0

đến vận tốc định mức

• Phương pháp điều khiển phần

ứng cho hiệu suất làm việc cao H2.14

3.10 Điều khiển vận tốc động cơ một chiều kích từ độc lập

3.10.1 Điều khiển thay đổi điện áp phần ứng

3.10 Điều khiển vận tốc động cơ một chiều kích từ độc lập

3.10.2 Điều khiển thay đổi từ thông

• Phương pháp được sử dụng khi có nhu cầu điều khiển

vận tốc động cơ lớn hơn giá trị định mức Lúc đó, điện

áp phần ứng động cơ được duy trì không đổi ở giá trị

định mức và điều chỉnh vận tốc bằng cách thay đổi

dòng kích từ

Phương trình mô tả:

Đặc tính cơ điện (xem H2.14b):

ư kt

ư kt

dđm

k

R k

U

2 kt

ư kt

dđm m

3.10 Điều khiển vận tốc động cơ một chiều kích từ độc lập

3.10.2 Điều khiển thay đổi từ thông

• Aùp dụng: để điều khiển vận tốc lớn hơn giá trị

định mức (giảm kích từ) – thường đến 2 lần

định mức và trong trường hợp đặc biệt có thể

đạt đến 6 lần

Khi điều khiển tăng vận tốc lớn hơn định mức,

để động cơ không bị quá tải thì moment tải

phải giới hạn (bị giảm) trong phạm vi cho phép

thiết lập bởi đường cong quá tải

• Kết hợp điều khiển thay đổi điện áp nguồn

DC và từ thông kích từ: giữ từ thông định mức

và thay đổi nguồn DC khi điều khiển vận tốc

trong giới hạn nhỏ hơn giá trị vận tốc định mức

và giữ điện áp bằng định mức, giảm từ thông

kích từ khi điều khiển vận tốc trên giá trị định

mức

3.10 Điều khiển vận tốc động cơ một chiều kích từ độc lập

3.10.3 Điều khiển thay đổi điện trở phụ mắc nối tiếp phần ứng

• Là phương pháp điều khiển vận tốc động cơ trong phạm vi

kích từ ứng có độ lớn không đổi (bằng định mức) Điện trở

phụ mắc nối tiếp mạch phần ứng Rph có thể được điều

khiển dạng nhảy cấp (sử dụng contactor) hoặc liên tục (ví

dụ điều khiển bằng bán dẫn)

• Phương trình mô tả:

• Đặc tính cơ điện được vẽ trên hình H2.14c

• Vì là phương pháp kém hiệu quả do gây tổn hao trên điện

trở nên chỉ thích hợp cho truyền động kéo moment tải

gián đọan dạng xung Rất ít khi được sử dụng

M k

R

R k

U

I k

R

R k

U

2 ktđm

ư ph

ktđm

dđm m

ư ktđm

ư ph

ktđm

dđm m