Đồ án môn học trang bị điện

c/ Các phương pháp hãm động cơ điện 1 chiều: Trạng thái hãm điện là trạng thái động cơ sinh ra moment điện từ ngược chiều với tốc độ, do đó sẽ làm cản trở hoặc triệt tiêu tốc độ của động

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Môn Học Trang Bị Điện.

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

I\ TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU:

1) Khái niệm chung:

Điều khiển động cơ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất

Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo công

việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn tốc độ khác nhau để tối ưu hóa quá trình sản xuất Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định gọi là tốc

độ đặt Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào thông số nguồn, mạch và tải nên khi các thông

số thay đổi thì tốc độ động cơ thay đổi theo Đặc biệt động cơ điện một chiều cung cấp công suất cơ không đổi hoặc mô men không đổi, tốc độ động cơ được điều chỉnh trong phạm vi rộng, điều khiển tốc độ một cách chính xác, vận hành hiệu quả ở dải tốc độ rộng, tăng tốc và giảm tốc nhanh và đáp ứng nhanh các tín hiệu phản hồi

2) Sơ lược cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều:

a/ Cấu tạo:

Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato Phần cảm (phần kích từ - thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto)

b/ Nguyên lý hoạt động:

Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Môn Học Trang Bị Điện.

Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua (điều này làm cho lực điện từ được sinh ra luôn luôn tạo ra mômen theo một chiều nhất định)

c/ Các phương pháp hãm động cơ điện 1 chiều:

Trạng thái hãm điện là trạng thái động cơ sinh ra moment điện từ ngược chiều với tốc độ, do đó sẽ làm cản trở hoặc triệt tiêu tốc độ của động cơ Đặc

điểm chung của các trạng thái hãm điện là động cơ làm việc ở chế độ máy phát,

biến cơ năng từ hệ truyền động thành điện năng trả về lưới (hãm tái sinh) hoặc tiêu tán dưới dạng nhiệt năng trên điện trở hãm (hãm ngược, hãm động năng)

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song có

3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng

*Hãm tái sinh:

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Môn Học Trang Bị Điện.

Hãm tái sinh là trạng thái xảy ra khi tốc độ quay của động cơ Đ lớn hơn

tốc độ không tải lý tưởng 0 trên đặc tính cơ mà động cơ đang làm việc (Đ >

0)

Khi làm việc ở chế độ động cơ (Đ < 0), động cơ nhận điện năng lưới điện từ cung cấp thông qua dòng điện Iư chạy vào phần ứng sinh ra moment điện

từ M đt > 0 và chuyển thành moment cơ M> 0 phát cơ năng trên trục động cơ Ở chế độ hãm tái sinh (chế độ máy phát), động cơ phát năng lượng điện trả về lưới (suất điện động Eư sinh ra dòng điện I ngược chiều với dòng điện phần ứng Iư trả

về lưới điện, moment điện từ đổi dấu M đt < 0 và trở thành) Năng lượng điện sinh ra là nhờ cơ năng tích lũy của hệ truyền động kéo động cơ quay với tốc độ

Đ> 0

Đặc tính cơ của trang thái hãm tái sinh là đoạn kéo dài của đặc tính cơ làm việc, nằm ở góc phần tư thứ II, (khi động cơ không đổi chiều quay) và thứ IV (khi động cơ đảo chiều quay) của mặt phẳng tọa độ MO

Sức điện động của động cơ khi thực hiện hãm tái sinh:

Eư > Uư

Dòng điện hãm và moment hãm đổi chiều:

I h=U u−E u

K φ ω0−K φ ω

R < 0 (2.16)

Mh = K..Ih < 0 (2.17)

Điện năng được trả về lưới điện là phần công suất có ích có giá trị là:

P=(E u−u u) I h (2.18)

Ví dụ một động cơ kích từ độc lập đang làm việc với M C ở tốc độ Đ tại

điểm A trên đặc tính cơ (1) có tốc độ không tải 01 trên góc phần tư thứ I (hình 2.1)

Để giảm tốc độ động cơ, người ta dung biện pháp hạ điện áp phần ứng từ U 1 xuống U 2, đĐộng cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đặc tính (2) có tốc độ không tải làø 02 <Đ <01 Đây là chế độ hãm tái sinh do tốc độ ban đầu của động cơ Đ lớn hơn tốc đọ không tải 0 , moment điện từ M đt đổi dấu thành

moment hãm M h với giá trị cực đại là M h.max < 0

NCL_12LTD

(U2 <

U1)

(1) ứng với U1

(2 ứng với U2

A B

D

C

6âñ o2

o1 Đ

Mh max

3

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Môn Học Trang Bị Điện.

Hình 2.1: Hãm tái sinh xảy ra khi hạ điện áp của phần ứng

Với tốc độ Đ và moment hãm M h ngược dấu nhau nên cùng kéo nhau giảm

nhanh trên đoạn đặc tính hãm BC Đến điểm C thì M h = 0, nhưng do có sự tồn tại

của moment hãm M C nên Đ tiếp tục giảm xuống dưới giá trị 02 Lúc này động

cơ lại trở về làm việc ở chế độ động cơ mới, moment động cơ M Đ hình thành và

tăng dần lênvà khi M Đ= MC, động cơ làm việc ổn định tại điểm D trên đặc tính cơ (2) với tốc độ ổn định mới Đ mới thấp hơn Đ.

* Hãm ngược:

Hãm ngược là trạng thái xảy ra khi mạch điện động cơ hoặc do tác dụng của động năng tích lũy trong các bộ phận chuyển động hoặc do moment thế năng hoặc do thay đổi kết nối làm sinh ra moment điện từ có chiều chống lại chiều quay động cơ

*Có 2 phương pháp hãm ngược sau đây:

i) Hãm ngược nhờ đóng điện trở phụ vào mạch phần ứng :

Động cơ đang làm việc với một tốc độ Đ trên đường đặc tính (1), để thực hiện phương pháp này, ta đóng điện trở phụ có giá trị đủ lớn R p vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang đường đặc tính cơ (2) với độ cứng giảm xuống, tốc độ

giảm nhanh về 0 rồi đổi dấu tăng dần theo chiều ngược lại Vì sơ đồ kết nối động

cơ vào lưới điện là không thay đổi nên đặc tính cơ hãm ngược khi đóng điện trở phụ vào mạch phần ứng là đặc tính biến trở

Ứng với các tải có tính thế năng, đặc tính hãm ngược là đoạn cd trên đường đặc tính biến trở (đồ thị hình 2.2)

NCL_12LTD

Mh max

Đ

Mc

0

c

M

(1)

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Mơn Học Trang Bị Điện.

Giả sử động cơ nâng tải với tốc độxác lập Đ tại điểm a trên đường đặc tính (1).

Đĩng điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc

tại điểm b trên đường đặc tính biến trở (2), moment M do động cơ sinh ra nhỏ hơn moment cản M c nên tốc độ giảm xuống nhưng tải vẫn được tiếp tục nâng lên chậm dần Đến điểm c tốc độ bằng 0 nhưng vì moment động cơ vẫn nhỏ hơn moment tải nên dưới tác động của trọng lực tải, động cơ quay theo chiều ngược lại Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần, moment động cơ tăng dần và

cĩ xu hướng nâng tải lên Đến điểm d moment động cơ M cân bằng với moment tải M c nên kể từ lúc này trở đi, hệ làm việc ổn định với tốc độ hạ tải khơng đổi

ơđ Đoạn cd trên đường đặc tính biến trở hình 2.11 là đặc tính hãm ngược Khi hãm ngược tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên dịng điện hãm ngược cĩ giá trị:

I h=U u−E u

R u+R p=

U + K φ ω

Mh = K..Ih < 0 (2.20)

Vậy trên đặc tính hãm ngược, sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lưới, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới, biến điện năng nhận

từ lưới và cơ năng trên trục động cơ thành nhiệt năng tỏa ra trên tổng trở mạch phần ứng, vì vậy tổn thất năng lượng là rất lớn

ii) Hãm ngược bằng cách đảo chiều quay động cơ:

NCL_12LTD

-9

_

I

k

t

Rk t

_ +

Uư

E

+

CKT

-9-Hình 2.2: Đặc tính cơ hãm ngược động cơ một chiều kích từ độc lập song song

bằng cách đĩng điện trở phụ vào

mạch phần ứng

0

M

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch hãm ngược động cơ một chiều kích từ độc lập

(hoặc song song) bằng cách đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng.

5

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Môn Học Trang Bị Điện.

Hình 2.4: Đặc tính cơ hãm ngược bằng cách đảo cực tính điện áp mạch phần ứng

Hãm ngược bằng cách đảo chiều quay động cơ được thực hiện thông qua việc

thay đổi kết nối mạch điện động cơ để đảo chiều dòng điện kích từ I kt hoặc dòng

điện phần ứng I ư Trong thực tế thường sử dụng biện pháp đảo cực tính điện áp

đặt vào phần ứng U ư để đảo chiều I ư

Động cơ đang làm việc với tải M c ở tốc độ Đ tại điểm a trên đặc tính tự nhiên

(hình 2.13) Khi đảo cực tính điện áp phần ứng U ư và đóng thêm R p vào mạch, động cơ chuyển sang làm việc tại điểm b trên đường đạc tính mới, moment điện

từ M đt của động cơ đổi dấu thành moment hãm M h có xu hướng chống lại chiều quay động cơ làm cho tốc độ giảm nhanh (trên đoạn bc) Tại c, tốc độ bằng 0,

nếu cắt phần ứng ra khỏi nguồn cung cấp trong trường hợp điện trở phụ R p có giá

trị đủ lớn để đường đặc tính hãm là khá dốc (đường (1)) thì động cơ sẽ dừng và không thể mở máy theo chiều ngược lại Nếu không cắt nguồn hoặc nếu R p không

đủ lớn để làm mềm đặc tính mới (đường (2)), tốc độ động cơ sẽ đổi chiều và bắt đầu gia tăng theo chiều ngược lại cho đến khi M h = M c thì động cơ đạt được tốc

độ ổn định mới tại điểm d

Dòng điện và moment hãm ngược khi đảo cực tính điện áp phần ứng có giá trị:

I h=−U u−E u

R u+R p =

U u+E u

R u+R p (2.21)

Mh = K..Ih < 0 (2.22)

Vì đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song là

tương đối cứng nên moment hãm ban đầu M hbđ rất lớn Dòng điện hãm ban đầu

Ihbđ tỷ lệ với M hbđ nên có giá trị khá lớn và có chiều ngược với chiều dòng điện NCL_12LTD

M

c

(TN ) Ñ

a

0

M

-0

o

â

ñ

0

6

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Môn Học Trang Bị Điện. phần ứng trước đó nên có thể gây nguy hại cho động cơ, vì vậy cần thiết phải

đưa điện trở phụ R p có giá trị đủ lớn vào mạch phần ứng để tạo ra đặc tính dốc có

tốc độ giảm nhanh về 0 đồng thời nhằm hạn chế moment vàdòng điện hãm ban

đầu M hbđ , I hbđ trong giới hạn cho phép:

Mhbđ = Mh.max  2.5 Mđm Ihbđ = Ih.max  2.5 Iđm

Phương trìnhđặc tính cơ là:

 = −

U u

K φ−

R u+R p

Về mặt năng lượng, ở phương pháp này, động cơ vẫn phải nhận điện năng từ lưới

và điện năng qua quá trình biến đổi từ cơ năng tích lũy của hệ truyền động để tiêu hao dưới dạng nhiệt năng tỏa ra trên tổng trở mạch phần ứng nên tổn thất công suất là tái sinh, hãm ngược và hãm động năng

*Hãm động năng:

Trạng thái hãm động năng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song là trạng thái động cơ làm việc ở chế độ máy phát biến động năng tích lũy của hệ truyền động trong quá trình làm việc trước đó thành điện năng tiêu thụ dưới dạng nhiệt trên điện trở hãm

Để hãm động năng, phần cảm cần được duy trì kích từ, còn phần ứng được cắt khỏi nguồn và nối thành mạch kín với điện trở hãm Chuyển động quay quán tính của phần ứng trong từ trường phần cảm làm xuất hiện sức điện động cảm ứng, sinh ra dòng điện hãm và moment hãm chống lại chiều quay động cơ Dựa vào các hình thức kích từ mà có 2 cách hãm động năng sau:

i) Hãm động năng kích từ độc lập:

Đây là phương pháp duy trì kích từ khi hãm nhờ nguồn ngoài

Động cơ đang làm việc ổn định với tải M c ở tốc độ Đ tại điểm a trên đường đặc tính tự nhiên, để thực hiện hãm động năng kích từ độc lập, ta cắt mạch phần ứng

ra khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm R h có giá trị lớn, trong

khi mạch kích từ vẫn giữ nguyên kết nối với lưới điện một cách độc lập với mạch

phần ứng, điều chỉnh R kt để dòng điện kích từ giữ nguyên trị số định mức I ktđm, động cơ sẽ chuyển sang chế độ máy phát điện một chiều kích từ độc lập, toàn bộ động năng tích lũy trong chuyển động trước đó được chuyển hóa thành điện năng phát ra và tiêu thụ trên điện trở hãm, động cơ nhanh chóng mất động năng duy trì chuyển động và dừng lại.Sức điện động của động cơ khi bắt đầu thực hiện hãm, ứng với tốc độ Đ = bđ là:

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Môn Học Trang Bị Điện. Dòng điện hãm ban đầu:

Ihbđ = -Iư

=− E bd

R u¿

+R h=−

K φ dm ω bd

R u¿

Trong đó: R * ư = rư + rct + rcp

Moment hãm ban đầu: M hbđ =-M =K φ dm I hbd < 0 (2.26)

Phương trình đặc tính cơ, đặc tính cơ - điện khi hãm là:

=

R u¿

+R h

(K φ dm)2 M hbd=− R u¿

+R h

(K φ dm)2 M (2.27)

 =

R u¿ +R h

K φ dm I hbd=−R u¿

+R h

K φ dm I u

(2.28)

Vì từ thông được giữ không đổi ( =đm) nên độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ

thuộc vào R h Khi R h càng nhỏ thì đặc tính càng cứng, moment hãm càng lớn, hiệu quả hãm càng cao Tuy nhiên, điều này kéo theo giá trị dòng điện hãm rất

lớn, gây nguy hại cho động cơ, vì vậy phải chọn R h sao cho dòng điện hãm ban

đầu nằm trong giới hạn cho phép là:

Ihbd = I h.max = (2  2,5) Iđm

Tức là cần chọn: R h=

K φ dm ω bd

I h max −R u

¿

(2.29) NCL_12LTD

_ +

Uö E

Ik t

Rkt

Ih

-

9-+ _

Rh

CKT

Hình 2.5: S ơ đồ nguyên lý mạch hãm động năng kích từ độc lập động cơ một chiều kích từ độc lập (hoăc song song).

8

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Môn Học Trang Bị Điện.

Các đặc tính hãm động năng là những đường thẳng đi qua gốc toạ độ và nằm ở

các góc phần tư thứ II và thứ IV

Từ đồ thị đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập (hình 2.15), ta thấy nếu với

moment cản M c có tính phản kháng thì tốc độ động cơ giảm về 0 và không tiếp

tục tăng theo chiều ngược lại nên động cơ sẽ dừng hẵn (đặc tính hãm động năng

là đoạn b10 hoặc b20) Còn với moment cản Mc có tính thế năng thì sau khi tốc độ

động cơ giảm về 0, do tác động của tải trọng lực sẽ kéo động cơ tiếp tục tăng tốc

theo chiều ngược lại, và đến làm việc ổn định tại điểm có M = M c (đặc tính hãm

động năng đoạn là 0c1 hoặc 0c2)

Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng tổn hao chủ yếu là trong mạch

kích từ :

Phương trình cân bằng công suất khi hãm là:

Pktđm =(1  5)% Pđm

ii) Hãm động năng tự kích từ, song song:

Hãm động năng tự kích từ là phương pháp hãm mà nguồn kích từ khi hãm do

động cơ tự cấp Để thực hiện hãm, khi động cơ đang làm việc, ta cắt cả mạch

phần ứng lẫn mạch kích từ ra khỏi lưới điện một chiều và đóng vào điện trở hãm

Rh có giá trị lớn, đồng thời kết hợp với việc điều chỉnh Rkt giữ không đổi chiều

dòng điện kích từ I kt, động cơ sẽ chuyển sang chế độ máy phát điện một chiều tự

kích từ

Toàn bộ động năng tích lũy trong chuyển động trước đó đều được chuyển hóa

thành điện năng, một phần được cấp cho mạch kích từ, phần lớn còn lại bị tiêu

thụ hết trên điện trở hãm gây tỏa nhiệt Dòng điện I ư đảo chiều sẽ sinh ra moment

NCL_12LTD

0

b 2

c2

b 1

a

c1

Mc Mh1

Mh2

0 Ñ

oâñ1 oâñ2

M

Hình 2.6: Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập động

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

9

Trường CĐKT Lý Tự Trọng Đồ Án Môn Học Trang Bị Điện. hãm làm tốc độ động cơ suy giảm nhanh kéo theo sức điện động giảm, từ trường kích từ giảm, dòng điện hãm giảm và do đó moment hãm giảm nhanh chóng, động cơ hoàn toàn mất động năng và kết thúc quá trình chuyển động

Từ sơ đồ nguyên lý (hình 2.16), ta có:

Iư = I h + I kt

Iư =

−E

R u+ R kt R h

R kt+R h

= −K φ ω

R u+ R kt R h

R kt+R h

(2.30)

Phương trình đặc tính cơ, đặc tính cơ-điện khi hãm là:

NCL_12LTD

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch hãm động năng tự kích từ

động cơ một chiều kích từ độc lập (hoặc song song)

+ _

Iö

_ +

Uö

Ih

-9-Rh

E

+

Hình 2.8: Đặc tính cơ hãm động năng tự kích từ động

cơ một chiều kích từ độc lập (hoặc song song)

b2

c2

c1

0

M

Mc Mh1

Mh2

0 Đ

oâñ1 oâñ2

10