Chuong2 TBD HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Muốn đảo chiều quay động cơ không đồng bộ một pha kiểu tụ điện có cuộn làm việc và cuộn khởi động không phân biệt ta phải thay đổi chức năng của hai cuộn dây cho nhau,thường gặp nhất tro

Trong hệ thống truyền động điện, nhiệm vụ của động cơ điện là cung cấp động lựccho các cơ cấu sản xuất Giữa động cơ điện và cơ cấu sản xuất phải đảm bảo một sự phù hợptương ứng nào đó thì hệ thống truyền động mới có thể làm việc tốt được

Điều chỉnh tốc độ các cơ cấu sản xuất là một nhu cầu cấp thiết đối với các máy mócdùng trong công nghiệp Muốn nâng cao trình độ tự động hóa và năng suất của máy ta phảidùng các hệ thống truyền động điều chỉnh có tốc độ Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc

độ động cơ điện Phương pháp điều chỉnh tốc độ thích hợp với cơ cấu sản xuất sẽ đảm bảocho quá trình sản xuất tiến hành được thuận lợi, nâng cao chất lượng sản phẩm và trongnhiều trường hợp có thể tinh giản được cấu trúc của chúng

2.1 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ

a) Động cơ điện không đồng bộ ba pha

Mối quan hệ giữa mô men quay và độ trượt có dạng như sau:

2 '

1 2 2

' 2

3U R M

Từ đó nếu biết M(s) ta có thể suy ra phương trình đặc tính cơ M = f(ω) của động cơ

Từ phương trình đặc tính cơ ta vẽ được dạng của đặc tính cơ trên hình 2-1a

Hình 2-1 Đặc tính cơ của động cơ điện KĐB 3 pha

và 1 pha không có bộ phận mở máy

b) Động cơ điện không đồng bộ một pha không có bộ phận mở máy

Phương trình đặc tính cơ cũng tương tự như động cơ không đồng bộ ba pha nhưngđộng cơ một pha đồng thời tồn tại 2 phương trình theo chiều quay thuận và chiều quayngược của từ trường quay (mô men quay dương và mô men quay âm)

M

Mth

Mng

b)

3U R M

3U RM

không đổi nên tốc độ ω của động cơ không đổi

Trong phạm vi mô men cho phép M ≤ Mmax,

đặc tính cơ tuyệt đối cứng (đường 2 của hình

2-2) Khi mô men vượt quá trị số Mmax thì tốc

độ động cơ sẽ mất đồng bộ Trong hệ truyền

động điện dùng động cơ đồng bộ người ta còn

sử dụng đặc tính góc M = f(θ) với θ là góc

lệch pha giữa suất điện động phần ứng và điện

áp pha đặt vào stato

Phương trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ rô to cực lồi có dạng:

M =

2 0

0 sin x mUE

ω

θ

(2-4b)

2.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Tuỳ theo phương pháp kích thích khác nhau mà phương trình và dạng đặc tính cơ củađộng cơ điện một chiều có dạng khác nhau

a) Động cơ điện một chiều kích thích độc lập và song song

Hình 2-3 Đặc tính cơ của ĐCĐ 1 chiều kt độc lập và song song

Phương trình đặc tính cơ của ĐCĐ 1 chiều kích thích độc lập và song song có dạng:

- 7 -

ω M

ω0

0

a)

ω M

2

0,95ω 1

Dạng đặc tính cơ của ĐCĐ một chiều kích thích độc lập và song song như hình 2-3a.

b) Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp

M =

2

2 u

kk U

φ φ

Dạng đặc tính cơ như hình 2-3b

c) Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp

Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp gồm cả hai cuộn kích thích nối tiếp vàsong song tạo ra từ thông kích thích φ:

2.2 MỞ MÁY VÀ ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.2.1 Mở máy và đảo chiều quay động cơ điện không đồng bộ

a) Động cơ không đồng bộ ba pha

Khi mở máy động cơ, dòng điện mở máy sẽ rất lớn (5 ÷ 7)IH, vì vậy người ta phảinghiên cứu các phương pháp mở máy động cơ để giảm dòng mở máy Như giáo trình Kỹthuật điện đã nêu, có các phương pháp mở máy sau để giảm dòng mở máy:

- Mắc nối tiếp điện trở hoặc điện kháng vào dây quấn stato (hình 2-4a);

- Dùng máy biến áp tự ngẫu để hạ điện áp nguồn đặt vào động cơ (hình 2-4b);

- Dùng đổi nối sao – tam giác (hình 2-4c): Phương pháp này áp dụng cho những động

cơ khi làm việc nối tam giác, khi mở máy nối sao để giảm dòng mở máy;

- Mắc thêm điện trở phụ vào dây quấn rô to (hình 2-4d): Phương pháp này chỉ ápdụng cho động cơ rô to dây quấn, khi mở máy đưa toàn bộ điện trở, sau đó cắt dần các điệntrở

Sự thay đổi của dòng mở máy, mô men mở máy phụ thuộc vào từng phương pháp Họđặc tính cơ ứng với từng phương pháp ở trên hình 2-4h, i, k, l Hình 2-2k, l trình bày đặc tính

mở máy khi mắc thêm điện trở phụ vào dây quấn rô to trong hai trường hợp: Mở máy với cácđiện trở rô to không đối xứng và đối xứng

Muốn đảo chiều quay động cơ không đồng bộ ba pha ta đảo chiều từ trường quaybằng cách thay đổi thứ tự hai trong ba pha của lưới điện vào động cơ (hình 2-4e, m)

b) Động cơ không đồng bộ 1 pha

Với động cơ không đồng bộ 1 pha không có thêm bộ phận mở máy thì sẽ không mởmáy được vì mô men mở máy bằng không Có hai phương pháp mở máy:

- Mở máy dùng tụ (hoặc cuộn cảm), sơ đồ nối điện ở hình 2-4f

- Mở máy dùng vòng ngắn mạch, cấu tạo động cơ khi dùng vòng ngắn như hình 2-4g Muốn đảo chiều quay động cơ không đồng bộ một pha kiểu tụ điện có cuộn làm việc

và cuộn khởi động không phân biệt ta phải thay đổi chức năng của hai cuộn dây cho nhau,thường gặp nhất trong động cơ máy giặt

Hình 2-4 Sơ đồ nối điện và đặc tính mở máy của động cơ KĐB

Với động cơ một pha kiểu tụ điện có cuộn làm việc và cuộn khởi động phân biệtmuốn đảo chiều quay động cơ ta phải thay đổi cực tính của một trong hai cuộn dây (đổi đầucuối cho đầu đầu của một trong hai cuộn dây)

2.2.2 Mở máy và đảo chiều quay động cơ điện đồng bộ

Mở máy động cơ đồng bộ phải qua hai giai đoạn:

- Giai đoạn mở máy không đồng bộ: Trên mặt các cực từ của rô to cực lồi đặt cácthanh dẫn như rô to lồng sóc của động cơ không đồng bộ hoặc dùng dây quấn kích thích vớiđộng cơ đồng bộ rô to cực ẩn, khi đóng điện vào stato (dây quấn rô to chưa đóng điện mộtchiều), động cơ được mở máy như động cơ không đồng bộ (đường 1 của hình 2-2)

- Giai đoạn kéo vào đồng bộ: Khi tốc độ quay của động cơ khoảng 95% tốc độ đồng bộthì đóng dây quấn rô to vào nguồn điện một chiều, động cơ sẽ được quay với tốc độ đồng bộ

Để đảo chiều quay động cơ ba pha đồng bộ người ta cũng thực hiện giống như động

cơ không đồng bộ,

2.2.3 Mở máy và đảo chiều quay động cơ điện một chiều

Với động cơ điện một chiều, khi mở máy dòng điện lớn (10 ÷ 20) IH, để giảm dòng

mở máy còn Imm = (2 ÷ 2,5)IH người ta dùng các biện pháp sau:

- Dùng biến trở mở máy khi bắt đầu khởi động, sau đó cắt dần các điện trở để đưatốc độ động cơ đến chế độ xác lập (hình 2-5);

- Giảm điện áp vào động cơ khi mở máy: Phương pháp này chỉ áp dụng với động cơkích thích độc lập hoặc kích thích song song làm việc như kích thích độc lập

Hình 2-5 Đặc tính mở máy của động cơ điện một chiều

a- ĐCĐ 1 chiều kt độc lập (song song); b- ĐCĐ 1chiều kích thích nối ttiếp ;

Để đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song song người

ta thường đảo chiều dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng

Đặc tính mở máy của động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp dùng điện trở phụnhư động cơ điện một chiều kích thích độc lập

2.3 HÃM ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Hãm một hệ truyền động điện nhằm đạt được một trong các mục đích sau:

- Dừng hệ truyền động điện;

- Giữ hệ thống đứng yên khi hệ thống đang chịu một lực có xu hướng gây chuyển động

- Giảm tốc độ của hệ truyền động điện

- Ghìm cho hệ truyền động điện làm việc với tốc độ ổn định, ví dụ: Giữ tốc độ đềukhi hạ vật ở cầu trục

Có thể hãm động cơ theo hai phương pháp:

- Hãm tái sinh (hãm có hoàn trả năng lượng về nguồn): Trạng thái hãm tái sinh củađộng cơ là trạng thái tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ đồng bộ ω1 đối với động cơxoay chiều hoặc tốc độ không tải lý tưởng ω0 với động cơ điện một chiều Ở trạng thái hãmtái sinh Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới Đây là phương pháp hãmkinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích.

- Hãm ngược: Trạng thái hãm ngược của động cơ là trạng thái đổi nối mạch điện vàođộng cơ để rô to quay ngược chiều với mô men điện từ của động cơ

Ở trạng thái hãm ngược Pđiện > 0, Pcơ < 0, động cơ nhận điện năng từ nguồn và cơnăng trên trục động cơ biến thành nhiệt năng

- Hãm động năng:Trạng thái hãm động năng của động cơ là trạng thái động năng của hệtruyền động điện tích luỹ được trong quá trình làm việc biến đổi thành điện năng thông qua động

cơ Điện năng này được tiêu thụ dưới dạng nhiệt trên điện trở hãm Khi hãm động năng Pđiện = 0,Pcơ < 0

Tuỳ theo phương pháp kích thích mà có hai phương pháp hãm động năng:

+ Hãm động năng kích thích độc lập: Kích thích do nguồn ngoài;

+ Hãm động năng tự kích thích: Kích thích do chính dòng điện cảm ứng của động cơ khi hãm

2.3.1 Hãm động cơ điện không đồng bộ

a) Hãm tái sinh

Hình 2-6 Động cơ KĐB 3 pha ở chế độ hãm tái sinh

Hãm tái sinh của động cơ không đồng bộ ba pha xảy ra trong các trường hợp sau:

* Hãm tái sinh khi máy sản xuất trở thành nguồn động lực

Trong quá trình làm việc, khi máy sản xuất (MSX) trở thành nguồn động lực làmquay rô to động cơ với tốc độ ω > ω0, động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lạinguồn (hình 2-6a)

Hình 2-6b cho dạng hãm tái sinh khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát (đoạn BC)

B

C

A 0

* Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách tăng số đôi cực từ

Với những động cơ không đồng bộ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần sốhoặc thay đổi số đôi cực từ khi giảm tốc độ thực hiện được hãm tái sinh (đoạn BC ở hình 2-6c)

* Hãm tái sinh khi đảo chiều quay động cơ

Động cơ đang làm việc ổn định ở chế độ động cơ (điểm A) khi nâng tải, nếu ta đảochiều quay động cơ (thay đổi thứ tự của hai trong ba pha của lưới vào động cơ, hình 2-6d)

và cho động cơ làm việc ở chế độ máy phát (ω > −ω1 ) tại điểm B, nếu phụ tải là thế năng,động cơ sẽ làm việc ở chế độ hãm tái sinh (đoạn BC) khi hạ hàng với tốc độ ổn định (hình 2-6e)

b) Hãm ngược

Hãm ngược xảy ra trong hai trường hợp:

- Đưa điện trở phụ đủ lớn vào mạch điện rô to

- Đảo chiều quay của động cơ

Đối với động cơ không đồng bộ, trong cả hai trường hợp hãm ngược vì s = 1

1

ω +ω

ω > 1nên dòng điện rô to có giá trị lớn Mặt khác, vì tần số dòng điện rô to f2 = sf lớn nên điệnkháng x2’ lớn, do đó mô men nhỏ Vì vậy, để tăng cường mô men hãm và giảm dòng điện rô

to ta phải đưa thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rô to đối với động cơ rô to dây quấn

* Hãm ngược nhờ đưa điện trở phụ có trị số lớn vào mạch điện rô to

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rô to dây quấn truyền động cơ cấu nâng – hạcủa cầu trục khi làm việc (nâng tải- đường 1) và khi hạ (đường 2) được trình bày trên hình 2-

7 Đoạn CD là đoạn đặc tính hãm ngược

Hình 2-7 Hãm ngược nhờ đưa R ph có trị số lớn vào mạch điện rô to

* Hãm ngược nhờ đảo chiều quay động cơ

Động cơ điện không đồng bộ rô to dây quấn đang làm việc với tải có mô men phảnkháng MC tại điểm A trên đường đặc tính cơ 1 (hình 2-8b) Để hãm máy, ta thay đổi thứ tựhai trong ba pha của lưới điện vào động cơ để đảo chiều quay của động cơ (hình 2-8a) Đặctính cơ khi hãm ngược được trình bày trên hình 2-8b

C’’

O

b)

1- Đặc tính cơ tự nhiên;

2- Đặc tính cơ khi đảo chiều quay động cơ;

3- Đặc tính cơ khi đảo chiều quay và đưa thêm Rph

để tăng cường Mh (Mh ≥ 2,5MH);

4- Đặc tính cơ khi đưa điện trở phụ quá lớn.

A’B’; A’’B’’, A’’I – Các đoạn đặc tính hãm ngược

Hình 2-8 Trạng thái hãm ngược nhờ đảo chiều quay động cơ

c) Hãm động năng

* Hãm động năng kích thích độc lập

Để hãm động năng động cơ điện không đồng bộ đang làm việc ở chế độ động cơ, tacắt stato ra khỏi lưới điện xoay chiều rồi cấp nguồn điện một chiều cho stato (hình 2-9a).Dòng điện một chiều có thể điều chỉnh được nhờ biến trở điều chỉnh

Vì dây quấn stato là dây quấn ba pha nên khi cấp nguồn điện một chiều cho dâyquấn phải tiến hành đổi nối theo một trong các sơ đồ ở hình 2-10

Đặc tính hãm động năng kích thích độc lập ĐCKĐB được biểu diễn trên hình 2-9b

Người ta thường dùng tụ điện để hãm tự

kích động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

(hình 2-12) Các tụ điện nối hình Δ mắc song song với

động cơ (hình 2-12a) và chúng được nạp điện đầy khi

H H

Rkt

a)

+ _

M

Mc

A1

4- Đặc tính hãm với Rh4 = Rh2, Ikt4 < Ikt2

động cơ làm việc tại điểm A trên đường đặc tính cơ tự

nhiên 1 (hình 2-12b) Khi cắt stato ra khỏi lưới điện

xoay chiều ba pha, các tụ điện sẽ phóng điện và tạo

ra từ trường quay với tốc độ không tải lý tưởng thấp

hơn rất nhiều với tốc độ không tải lý tưởng (tốc độ

đồng bộ ω1) của đặc tính cơ tự nhiên Do đó, tốc độ

động cơ đang có lớn hơn rất nhiều tốc độ không tải lý

tưởng mới nên động cơ chuyển sang hãm tái sinh tại

điểm A’ trên đường đặc tính 2 Tốc độ động cơ giảm

nhanh theo đặc tính 2 đến tốc độ không tải lý tưởng

ω1’.

Trị số điện dung của tụ điện khác nhau thì đặc tính hãm bằng tụ điện sẽ khác nhau.Điện dung càng lớn thì mô men hãm ban đầu càng lớn và tốc độ không tải lý tưởng càng nhỏnghĩa là quá trình hãm kéo xuống tốc độ thấp hơn (đường 3)

Hình 2-12 Hãm động năng tự kích thích dùng tụ điện

Giá trị điện dung của tụ điện cần chọn sao cho dòng điện hãm ban đầu không vượtquá dòng điện mở máy Ở tần số 50Hz, độ lớn điện dung của tụ điện nối hình Δ được tínhtheo công thức:

Có thể hãm bằng tụ điện theo sơ đồ đơn

giản hơn như hình 2-12c

Trường hợp này muốn hiệu lực hãm như

ở sơ đồ hình 2-12a ta phải chọn điện dung của tụ

điện gấp 2,1 lần điện dung tính theo công thức

C

c)

Hình 2-13 Hãm bằng tụ điện kết hợp với hãm động năng kt độc lập

∼

K2

K2

Để khắc phục nhược điểm của phương

pháp hãm bằng tụ điện là không hãm được đến

lúc động cơ dừng hoàn toàn ta có thể kết hợp

hãm bằng tụ điện với hãm động năng kích thích

độc lập như hình 2-13 Khi kết thúc hãm bằng tụ

điện thì đóng công tắc K2 để cấp điện một chiều

cho stato hãm động năng kích thích độc lập

phát, biến cơ năng thành

điện năng hoàn trả về

lưới

b) Hãm động năng

Khi động cơ đồng bộ đang quay, muốn hãm động năng, stato của động cơ được cắtkhỏi lưới điện xoay chiều và nối vào điện trở phụ ba pha, rô to vẫn được đóng vào nguồnđiện một chiều như cũ Sơ đồ nguyên lý khi hãm động năng động cơ đồng bộ và đặc tínhhãm được biểu diễn trên hình 2-15 Đặc tính hãm động năng có dạng như của động cơ khôngđồng bộ khi hãm động năng kích thích độc lập

Hình 2-15 Hãm động năng của động cơ đồng bộ

2.3.3 Hãm động cơ điện một chiều

a) Hãm tái sinh

* Hãm tái sinh của động cơ điện một chiều kích thích độc lập (hoặc song song)

Động cơ điện một chiều có một số trạng thái hãm tái sinh:

- Hãm tái sinh ở chế độ máy phát

Lúc này máy sản xuất như nguồn động lực quay rô to động cơ, làm cho động cơ trởthành máy phát, phát năng lượng trở về nguồn Đặc tính cơ khi hãm trên hình 2-16a

- Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng

- 15 -

a)

Rkt

+_

M

Mc

A 1

Nếu mô men cản có dạng mô men thế năng, khi giảm điện áp nguồn đột ngột, tốc độkhông tải ω0 giảm trong khi tốc độ ω chưa kịp giảm, làm cho tốc độ của động cơ lớn hơn tốc

độ không tải lý tưởng ω0’, động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng về nguồn (hãm táisinh) Đặc tính cơ khi hãm trên hình 2-16b

- Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng

Mô men cản là mô men thế năng, khi đảo chiều điện áp, tốc độ quay của động cơ đảochiều, động cơ sẽ chuyển đến làm việc ở điểm B (hình 2-16c) có ω > ω 0 , động cơ trởthành máy phát

Trong thực tế, cơ cấu nâng - hạ của cầu trục, thang máy, khi nâng tải, động cơ làmviệc ở chế độ động cơ (điểm A đặc tính cơ hình 2-16c), khi hạ tải thì động cơ làm việc ở chế

độ máy phát (điểm B)

Hình 2-16 Trạng thái hãm tái sinh của ĐCĐ 1 chiều kích thích độc lập

* Hãm tái sinh của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp không có hãm tái sinh vì đặc tính cơ chỉtiệm cận với trục Oω khi M tiến tới không

b) Hãm ngược

* Hãm ngược động cơ điện một chiều kích thích độc lập (song song)

- Hãm ngược nhờ đưa điện trở phụ vào mạch điện phần ứng

Ta xét trường hợp động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ ổn định, khi đưa thêmmột điện trở phụ vào mạch phần ứng (hình 2-17) động cơ sẽ hãm ngược (đoạn CD) với tốc

độ hạ không đổi

Ở đặc tính hãm ngược, suất điện động của động cơ đảo dấu Động cơ làm việc nhưmột máy phát mắc nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng trên trụcđộng cơ thành nhiệt năng trên điện trở tổng của mạch điện phần ứng vì vậy tổn thất nănglượng lớn

B C

C B

ω

ω0-ωO

2- Đặc tính hãm khi đảo chiều điện áp với R ph = 0; M h lớn;

3- Đặc tính hãm có R ph lớn nhưng không đảo được chiều quay

(M C < M c );

4- Đặc tính hãm có R ph không đủ lớn, có thể đảo được chiều

quay (M C’ > M c )