ĐỒ án môn học TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

I.1- Khái niệm về quá trình quá độ truyền động điện: Quá trình quá độ QTQĐ truyền động điện TĐĐ là quá trình làm việc của hệ thống TĐĐ khi chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI

CBHD: ThS Trần Quang Thọ SVTH: Nguyễn Văn Trung (MSSV: 10402059)

I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH

QUÁ ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN:

I.1- Khái niệm về quá trình quá độ truyền động điện:

Quá trình quá độ (QTQĐ) truyền động điện (TĐĐ)

là quá trình làm việc của hệ thống TĐĐ khi chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác, khi

đó các đại lượng đặc trưng cho hệ thống TĐĐ (I, M,

I.2- Nguyên nhân có quá trình quá độ truyền động điện:

I.2.1- Nguyên nhân khách quan:

Do tác động ngẫu nhiên (nhiễu loạn) như: mưa, bão, sét đánh, nhiệt độ thay đổi, điện áp, tần số lưới thay đổi, phụ tải thay đổi bất thường

I.2.2- Nguyên nhân chủ quan:

Do con người điều khiển hoặc tác động điều khiển các chế

độ làm việc khác nhau của hệ thống TĐĐ theo yêu cầu công nghệ như: thay đổi tốc độ, khởi động, hãm, đảo chiều , vì các phần tử, các thiết bị có quán tính cơ và quán tính điện từ nên

có QTQĐ.

I.3- Các loại quán tính trong hệ thống truyền

- Quán tính điện từ: đặc trưng bởi hằng số thời gian điện từ

, do các phần tử tích lũy năng lượng điện từ như điện

cảm L, tụ điện C.

- Quán tính cơ: đặc trưng bởi hằng số thời gian cơ ,

do các khâu tích lũy động năng như mômen quán tính J và

khối lượng quán tính m (β là độ cứng đặc tính cơ).

- Quán tính nhiệt: được đặc trưng bởi hằng số thời gian

nhiệt , do các phần tử tích lũy nhiệt năng như nhiệt

dung (C là nhiệt dung, A là hệ số tỏa nhiệt).

Tn 

Thường thì quán tính nhiệt Tn rất lớn nên ta bỏ quakhi xét QTQĐ, vì QTQĐ có thể đã kết thúc rồi mà quátrình thay đổi nhiệt vẫn còn, cho nên coi như không

ảnh hưởng đến QTQĐ đang xét

Quán tính điện từ Tđt có thể được xét đến khi điệncảm L lớn, lúc đó quán tính điện từ tương đương vớiquán tính cơ Khi nào Tđt << Tc thì bỏ qua quán tính

điện từ

I.4- Mục đích khảo sát QTQĐ truyền động điện:

Khảo sát QTQĐ sẽ xây dựng được các quan hệ của các đại

Sau đây sẽ khảo sát một số QTQĐ thường xảy ra trong hệ thống TĐĐ và chủ yếu xét đến hằng số Tc và Tđt.

II QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CƠ HỌC KHI UNGUỒN = CONST VÀ MĐỘNG() LÀ

TUYẾN TÍNH:

II.1- Phương trình tổng quát:

- Khảo sát QTQĐ khi chỉ xét đến quán tính cơ (Tc) bỏ

qua quán tính điện từ (Tđt) - gọi tắt là QTQĐ cơ học.

- Khảo sát QTQĐ cơ học với điều kiện điện áp nguồn là hằng số (Unguồn = const), mômen động Mđộng() tuyến tính

là trường hợp đơn giản nhất, có thể coi hệ thuộc loại mẫu

cơ học đơn khối, tuy nhiên lại rất hay gặp, vì nó đúng với các dạng đặc tính cơ M(), MC() là tuyến tính (hình 1a), cũng có thể áp dụng cho các động cơ có M() là phi

tuyến, nhưng trong phạm vi xét thì M() gần tuyến tính

(hình 1b), hoặc M() và MC() là phi tuyến cả nhưng có dạng gần giống nhau, như vậy cũng có thể có Mđộng() gần tuyến tính (hình 1c).

- Các giả thuyết cho trước: M() và MC() là tuyến tính, vậy Mđg() sẽ là tuyến tính; J = const; Ung=const;

ví dụ như hình 1a, b Theo đó, QTQĐ được mô tả bởi

c c

xl

xl n

c co

c

n

c đg

M

M d

dM

M

M d

dMM

M M

d J M

M M

d J M

M

c c

co n

c co

n

xl c

co n

M

xl

o đg

đg o

; M

Theo giả thuyết: M   nên:

Với giả thiết trên thì (6) và (7) có tính chất vạn năng

Chúng đúng với các QTQĐ khác nhau (khởi động, hãm, thay đổi tốc độ, đảo chiều ) khi M() và MC() là tuyến

xl bđ

M t

n xl

c

M M

J J

T

Các phương trình (6), (7) cho thấy: (t) và M(t) códạng hàm mũ Đặc điểm của hàm mũ là đạo hàm của

nó theo thời gian sẽ giảm đơn điệu, nghĩa là và

cứ sau một khoảng thời gian t = TC thì chúng giảm đi

t

T t

t M

T t

t c

T

c T t c

Vì 0.TC = xl + bđ nên đường tiếp tuyến với (t)tại thời điểm ban đầu sẽ cắt đường thẳng  = xl = const

ở điểm cách trục tung một khoảng đúng bằng TC (hình2)

Khi giải phương trình (6) hoặc (7) có thể có nghiệmlàm cho QTQĐ là ổn định hoặc không ổn định, khôngdao động hoặc dao động:

Các phương trình trên chỉ đúng khi M(), MC() làliên tục, nếu M(), MC() không liên tục thì QTQĐphải tính riêng cho từng đoạn liên tục một Sau điểmđột biến của mômen, ta phải thay các giá trị mới của

II.2- Quá trình quá độ cơ học khi khởi động:

II.2.1- Xét quá trình quá độ cơ học khi khởi động với M() tuyến tính, M C = const:

Để đơn giản, ta xét QTQĐ khi khởi động 2 cấp điệntrở phụ mạch rôto của động cơ điện một chiều kích từđộc lập (hình 4a) khi khởi động m = 2 cấp: sẽ có bagiai đoạn QTQĐ khởi động:

* Giai đoạn 1: đoạn (ab)  đặc tính :

Trên đó: Rưf = Rưf1 + Rưf2  R1 = Rư + Rưf1 + Rưf2

Theo đặc tính :

(11a)

Điều kiện ban đầu: điểm (a): bđ1 = 0, Mbđ1 = M1

Điều kiện xác lập: xl1 = xác định theo đặc tính cơ;

R

K J

K R

J

J T

2 uf 1

uf u

2

2

1 1

Theo các điều kiện trên và phương trình (6), (7) ta cóphương trình QTQĐ trong giai đoạn 1 này:

(12a)(13a)

Khi :  = 1: tính theo (13a) khi t = t1; M = M2 thì

chuyển sang giai đoạn 2

* Giai đoạn 2: đoạn (bcd)  đặc tính :

Trên đó: Rưf = Rưf2  R2 = Rư + Rưf2

Theo đặc tính :

(11b)

Điều kiện ban đầu: điểm (c): bđ2 = 1, Mbđ2 = M1 Điều kiện xác lập: xl2 = xác định theo đặc tính cơ;

Mxl2 = MC

 

2 1

2

1 2

K J

K R

J

J T

2 uf u

2

2

2 2

Theo các điều kiện trên và phương trình (6), (7) ta cóphương trình QTQĐ trong giai đoạn 2 này:

(12b)(13b)

Khi :  = 2: tính theo (13b) khi t = t2; M = M2 thìchuyển sang giai đoạn 3

* Giai đoạn 3: đoạn (deXL)  đặc tính TN:

Trên đó: Rưf = 0  R3 = Rư + Rư

Theo đặc tính TN:

(11a)

K J

K R

J

J T

u

2

2

3 TN

Theo các điều kiện trên và phương trình (6), (7) ta cóphương trình QTQĐ trong giai đoạn 3 này:

(12c)(13c)

Khi :   xl; M = Mc xem như kết thúc QTQĐ khởiđộng

Dựa vào các phương trình quá trình quá độ của (t) ;

II.2.2- Tính thời gian khởi động:

Tính:

Có m cấp khởi động sẽ có (m + 1) giai đoạn quá

trình quá độ khi khởi động, từ phương trình M(t) ta

tính được:

(14) Vậy:

(15)

3 2

1 qđ

c 2

c

1 ci

i

M M

M

M ln

c

1 ci

i qđ

kđ

M M

M

M ln

T t

t t

* Xây dựng I(t):

+ Đối với ĐMđl: (16)  tương tự M(t)

+ Đối với ĐKdq: từ M(t), đặc tính M(), I(), tính

được ti tương ứng Mi, suy ra Ii(Mi), và cuối cùng ta có



 K

t

M t

I

II.3- Quá trình quá độ cơ học khi hãm:

II.3.1- Xét quá trình quá độ cơ học khi hãm ngược:

Hãm ngược, đối với động cơ điện một chiều (ĐM)thì thay đổi cực tính điện áp phần ứng, còn động cơ

không đồng bộ 3 pha (ĐK) thì thay đổi thứ tự pha điện

áp stato, vì dòng hãm ban đầu lớn nên cần phải thêm

điện trở phụ (Rưf, R2f) để hạn chế dòng hãm không

được vượt quá dòng cho phép (Ih.bđ  Icp)

Cũng như khi tính toán quá trình khởi động, đối vớiquá trình hãm thì các đặc tính cơ phi tuyến như ĐMnthay ĐKdq cũng được thay thế bằng đoạn đặc tính tuyếntính hoá từ -M1 đến –M2 như hình 7a Phương trình

của một đoạn thẳng ấy có dạng:

(17)2

Mômen hãm ban đầu có giá trị cực đại:

Mh.đg = -M1  Mcp (M1  2,5Mđm)

Khi biết giá trị dòng điện cho phép, ta có thể xác

định được điện trở phụ thêm vào để hạn chế dòng hãmban đầu:

U 

* Đối với ĐM nt : Tại thời điểm ban đầu quá trình hãm,dòng điện phần ứng và từ thông thay đổi đồng thời,

Trị số K(Icp) có thể được xác định từ phương trìnhcân bằng điện áp phần ứng với I = Icp trên đặc tính tựnhiên:

(20)

Trong đó: tn1 là tốc độ trên đặc tính cơ tự nhiên

u

cp cp

RI

UI

Điểm cuối của quá trình hãm được xác định bởi giátrị M2(hoặc I2) và  = 0 Đối với ĐMnt, M2 được xácđịnh nhờ trị số dòng điện tương ứng:

(22) Theo giá trị và đặc tính vạn năng của ĐMnt:

Ta xác định được: (24)

uf u

U I

2

2 2

M I

* Đối với động cơ ĐK: điện trở phụ trong mạch

rôto được xác định từ quan hệ tỉ lệ giữa độ trượt

và điện trở khi M1 = const:

(25) Trong đó:

sbđ = (2 – sC) là độ trượt ban đầu khi hãm

sC là độ trượt ở trạng thái xác lập trước khi hãm

stn1là độ trượt trên đặc tính tự nhiên khi

2

f 2 2

1 tn

bđ

R

R

R s



* Đối với động cơ ĐK: Mômen M2 khi  = 0 (s = 1)được xác định theo công thức:

btr t

t 2

s

1s

M

2M

2 tn

t btr

t

R

R

Rs

Trong quá trình hãm, sự biến thiên của tốc độ vàmômen được xác định theo công thức (6), (7) Vì từ(17):

(29)

(30)

(31)

2 1

2

c bđ

xl

MM

2

c bđ

c T / t 2

1

2

1 bđ

M M

M

M e

M M

+ Thời gian hãm có thể xác định:

(32b)

Trên hình 7b trình bày đồ thị tốc độ, mômen và thờigian khi hãm Cuối quá trình hãm (  0) gia tốc vẫnkhác không Do đó muốn dừng động cơ thì lúc đó taphải cắt động cơ ra khỏi lưới

c 2

2

1 c

tn

MM

M

Mln

II.3.2- Xét quá trình quá độ cơ học khi hãm động năng:

Có thể coi quá trình hãm động năng là trường hợpriêng của quá trình hãm ngược khi M2 = 0 (I2 = 0) lúc

 = 0 Vì vậy có thể khảo sát tương tự khi hãm ngược

ta sẽ được kết quả tương tự khi hãm ngược nhưng với

II.4- Quá trình quá độ cơ học khi Mc(t) biến đổi

nhảy cấp:

Các trường hợp trên ta xét với Mc(t) là liên tục

Nhưng thực tế Mc(t) có thay đổi, nhưng Mc(t) thườnggặp là thay đổi kiểu nhảy cấp (đột biến) chu kỳ như:máy bào, máy đột dập

* Một chu kỳ đơn giản của Mc(t) gồm có 2 giai đoạn: + Một giai đoạn có tải: tương ứng Mc1, t1.

+ Một giai đoạn không tải: tương ứng Mc2, t2

Trong mỗi giai đoạn, coi = const, M() tuyến tính

và Unguồn = const, bỏ qua , thì (t) và M(t) sẽ biến

thiên theo quy luật hãm mũ, theo (6), (7), ta có:

Đối với đoạn thứ nhất:

(33)(34)

Đối với đoạn thứ hai:

Mômen và tốc độ biến thiên trong phạm vi từ

Mmin = Mbđ1 đến Mmax = Mcc1 và min = cc1 đến

max = cc2 Vậy, đối với đoạn thứ nhất và thứ hai ta

Giải ra, ta có:

(39)

(40)

Các giá trị max và Mmin có thể tìm được theo đặc tính

cơ ứng với M = Mmin và M = Mmax

 tck /Tc 

c T / 2

t 2

c c

T / 2 t c

T / 1

t 1

c 1

bđ min

e 1

e 1 M

e e

1

M M

t 1

c c

T / 1 t c

T / 2

t 2

c 1

cc max

e 1

e 1 M

e e

1

M M

Hình 9 biểu diễn quan hệ giữa mômen của động cơvới thời gian Trong đoạn thứ nhất , tốc độ giảm, lúcnày động cơ làm việc nhờ động năng của khối lượngbánh đà.

Đến đoạn thứ hai M > MC2, mômen dư làm cho tốc

độ tăng lên, tức làm tăng động năng dự trữ của truyền

động điện Do đó Mmax của động cơ không nhất thiết

phải bằng MC.max, phần chênh lệch đó do bánh đà cung

cấp Như vậy, khi giảm chu kỳ biến thiên của MC và

giữ TC = const, hoặc khi tăng TC và giữ Tck = const, thì

các trị số Mmin và Mmax sẽ tiến lại gần nhau, nghĩa là

đồ thị mômen và tốc độ động cơ được “nắn thẳng”.

Thường thêm bánh đà phụ để “nắn thẳng” mômen.

Khi: T1/TC  0 và T2/TC  0 thì:

(41)

ck

2 2

c 1

1

c max

min

t

tM

t

MM

* Trường hợp: đồ thị MC(t) thay đổi nhảy cấp nhiềuđoạn:

Đối với đoạn thứ i bất kỳ:

(44)

Và đoạn cuối cùng (đoạn thứ m) và đặt các giá trị

mômen động cơ ở đầu và cuối chu kỳ bằng nhau

1 M

e M

M

i 0

j Tc

j t Tc

/ 2

t 2

c

i 0

j Tc

j t Tc

/ 1

t 1

c

i 1

j Tc

j t

1 bđ cci

m 1 i

c T

i 1

j j

t ck

t c

T / 1

t cci

ccm 1

bđ

e 1

e e

1

M M

Các biểu thức (44), (45) cho phép dùng phương pháp giải tích để xác định các trị số mômen ban đầu và cuối cùng của tất cả các giai đoạn trong chu kỳ, nghĩa là cho phép vẽ được đồ thị biến thiên của mômen động cơ.

Hằng số thời gian cơ học TC càng nhỏ thì mômen biến

đổi càng lớn, khi đồ thị phụ tải biến đổi mãnh liệt, mômen đẳng trị sẽ vượt quá giá trị trung bình một cách đáng kể,

và làm tăng phát nóng động cơ, đỉnh cao nhất của mômen (Mmax) có thể là không cho phép đối với khả năng chịu quá tải của động cơ

III QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CƠ HỌC KHI U NGUỒN

LÀ PHI TUYẾN:

Khi khảo sát QTQĐ đối với các hệ thống TĐĐ vớiđộng cơ điện có đặc tính cơ M() là phi tuyến như

ĐMnt, ĐK, hay các phụ tải có MC() là đường congnhư máy bơm, quạt gió, hay MC() , lúc đó Mđộng()

sẽ không còn tuyến tính nữa, như vậy ta có thể khảosát quá trình quá độ của hệ thống theo hai phương

III.1- Phương pháp giải tích:

Phương pháp này được áp dụng khi M() và Mc()

có thể biểu diễn bằng những hàm giải tích không phứctạp quá, ví dụ như động cơ không đồng bộ rôto lồngsóc (ĐKls) có thể biểu diễn M() tương đối chính xácqua:

t

s

s s

s

M

2 M

dt

d J M

s

s s

t

t         





* Khi MC(ω) = const: ) = const:

(48) Sau khi lấy tích phân và thay cận ta có:

t

t c

t 2

2 t 2

c

s s

s M

M 2

s

s

s M

J t

2 2

1

2 1

bđ

1 2

1 1

t

2

c

t bđ

c

t t

s s

s

s ln

s s

s s

s

s

s ln

s s

s

s M

M 2

s

s M

M T

t

* Khi không tải MC() = 0 thì biểu thức (48) sẽ đơngiản:

2 t t

t

s

s s

s M

2

J t

2s

ss

4

1T

t

2

2 bđ t

t

Các biểu thức (49) và (53) cho phép xác định đượcquan hệ giữa mômen và độ trượt theo thời gian Cho trước một loạt giá trị của s, dùng biểu thức (47) ta xác định được trị số tương ứng của M; theo (49) ta xác

định được các giá trị của t

Hình 11 giới thiệu các quan hệ giữa mômen và tốc

độ

với thời gian trong QTQĐ khi khởi động động cơ ĐK

2 cc

2 bđ t

t

s ln s

2 s

s s

4 T t

Thường kết thúc QTQĐ khi s  5%.s Thời gian

III.2- Phương pháp đồ thị giải tích:

Đây là phương pháp gần đúng, nhưng đơn giản vàtiện lợi hơn phương pháp giải tích

M M

1 J

t

Trong khoảng t nhỏ có thể coi Mđộng()  const, dođó:

i i

; M

Chọn trước các giá trị i , sẽ xác định được 1/Mđộngnhờ Mđộng() đã biết, từ đó tìm được theo ti theo (58) Thường chọn i = const, như thế ta sẽ xác định

mM

/m

IV QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CƠ HỌC

Đây là QTQĐ trong hệ thống TĐĐ có bộ biến đổi động cơ (BBĐ-ĐC) như hệ F-ĐM, T-ĐM, KĐT-ĐM,BT-ĐK, Các hệ thống này thường điều chỉnh cácthông số nguồn: thay đổi điện áp nguồn (thay đổi Uư,

-Us )

IV.1- Hệ thống Bộ biến đổi – động cơ điện một

QTQĐ có thể mô tả theo PTVP tuyến tính sau:

t

u t

t t

M t

t

BĐ 0

xl 0

c 0

xl

* Để đơn giản, xét QTQĐ khi khởi động BBĐ - ĐM có:

Điện áp bộ biến đổi:

(62)

Và điện áp định mức: UBĐ.đm = const khi t1  t

+ Khi : t < t1: 0(t) = BĐ.t (63)

0(t) = BĐ.t - C (64)

Trong đó: gia tốc thườngcho trước

 

u

đm

BĐ 1

u BĐ

k

Ut

t0

khit

kt

1

đm BĐ

u BĐ

t K

U K

+ Quá trình quá độ khi khởi động sẽ qua 3 giai đoạn:

* Giai đoạn 1: 0 < t < t 0 ; M < M c ;  = 0;

u BĐ (t) = k u t

Vậy, mômen tăng tỉ lệ bậc nhất với thời gian Và

điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng [, M] theo trục hoành như hình 14a

K

k R

K K

t

u R

K

R

u K

I.

K I

K M

BĐ

u u

2 BĐ

u

đm

BĐ n

* Giai đoạn 2:0 < t < t 0 ; M  M c ;   0; u BĐ (t) = k u t

Tại t = 0, M = Mc: 0(t0) = BĐ t0 = c;

c = Mc/β là độ sụt tốc của động cơ khi M = Mc

Điểm làm việc sẽ dịch chuyển từ đặc tính này sang đặc tính khác theo quy luật nào đó (đường có mũi tên chỉ trên hình 14a)

Dời gốc toạ độ tới t = t0, lúc này tính thời gian là

t’ = t – t0

Phương trình vi phân: (60’)

(67)

xl c

'dt

d

T     

't 't

t

't

't

BĐ c

BĐ 0

BĐ

c 0

+ Nghiệm riêng của (60’): r = BĐ t’ +B (68)

Hệ số B xác định theo (60’) khi thay đổi r vào và

t

td  c  e



't B

't

Tc  BĐ  BĐ    BĐ 

c T /'

t BĐ

c BĐ

BĐ  't  T    1  e







* Giai đoạn 3: t1  t; M  Mc;  > 0

Điện áp bộ biến đổi lúc này:

uBĐ(t) = UBĐ.đm = const Dời gốc toạ độ tới t = t1, lúc này tính thời gian là t” = t - t1:

Tương tự QTQĐ cơ học khi điện áp nguồn không đổi, áp dụng các kết quả trên ta có phương trình:

(73)(74)(75)

0



Điều kiện ban đầu:

Ta thấy rằng, trong QTQĐ khi khởi động thì mômenđộng Mđg và gia số  không phụ thuộc Mc mà chỉ phụthuộc vào BĐ và Tc Như vậy khi cho trước hệ thốngTĐĐ có Tc = const thì chỉ còn lại BĐ, do đó ta có thểđiều khiển QTQĐ một cách tùy ý không phụ thuộc

vào phụ tải