Bài giảng truyền động điện

Chương1: KHÁI NIỆM, CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1.1 Ccấu trúc chung và phân loại hệ truyền động điện * Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động: Hệ truyền động đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GIẢNG VIÊN: ĐỖ QUANG HUY - ĐỖ CÔNG THẮNG

HƯNG YÊN – 2015

Chương1: KHÁI NIỆM, CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG

CƠ ĐIỆN 1.1 Ccấu trúc chung và phân loại hệ truyền động điện

* Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động:

Hệ truyền động điện là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, điện từ, phục vụ cho cho việc biến đổi năng lượng điện – cơ cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ

* Cấu trúc chung:

Hình 1-1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ

BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công

nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành

Cấu trúc của hệ TĐĐ gồm 2 phần chính:

- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các bộ biến đổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor) Động cơ có các loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt

- Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành Đồng thời một số hệ truyền động có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính điều khiển trong một dây truyền sản xuất

Phân loại hệ thống truyền động điện:

- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định

- Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ

- Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình

- Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v.v

- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự động

- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v

1.2 Cơ sở động học cơ bản của ht tđđ

1.2.1 Đặc tính cơ của máy sản xuất

+ Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất:

đm c

a) b) c)

Hình 1.2: a) Đặc tính cơ của một số MSX b) Dạng đặc tính cơ của một số MSX có tính thế năng c) Dạng đặc tính cơ của một số MSX có tính phản kháng

+ Ta có các trường hợp số mũ  ứng với các tải:

- Khi  = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, (hình 1-2 đường 1)

- Khi  = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy phát một chiều tải thuần trở, (đường 2)

- Khi  = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió, máy nén khí(đường 3)

- Khi  = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng cơ cấu của máy cuốn dây, cuốn giấp, các truyền động trục chính của máy cắt gọt kim loại (đường 4)

+ Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như:

- Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f();hoặc mômen phụ thuộc vào đường

đi Mc = f(s), các máy công tác có pittông, các máy trục không có cáp cân bằng có đặc tính thuộc loại này

- Mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi Mc = f(,s) như các loại xe điện

- Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) như máy nghiền đá, nghiền quặng Trên hình 1-2b biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng thế năng (Như ở các cơ cấu nâng hạ tải trọng) có đặc tính Mc = const và không phụ thuộc chiều quay

Trên hình 1-2c biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng phản kháng ( luôn chống lại chiều quay như mô men ma sát, mô men của cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại…)

1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện:

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ:

* Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ:

+ Đặc tính cơ tự nhiên: Là đặc tính cơ khi động cơ vận hành ở chế độ định mức (động cơ nối theo sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như của động cơ là định mức) Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên

+ Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được khi

có sự thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo

Truyền động có đặc tính cơ cứng tốc độ thay đổi ít khi mô men biến đổi lớn

Truyền động có đặc tính cơ mềm tốc độ giảm nhiều khi mô men tăng

1.2.3 trạng thái làm việc của hệ TĐĐ

+ Trong hệ truyền động điện bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của hệ truyền động điện Có thể lập Bảng 1-1:

Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một

điều kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động

cơ tiếp nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện Công suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay Mômen của máy sản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ

+ Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ là:

Pđ = Pc + Pđ (1-6) Trong đó: Pđ là công suất điện; Pc là công suất cơ; P là tổn thất công suất

- Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải Trạng thái động cơ phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng  (M)

- Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược và Hãm động năng Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng (M)

- Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới

- Hãm ngược: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất

P

- Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành công suất tổn thất P

* Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M,  ]:

Trạng thái động cơ: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ nhất và góc phần tư thứ ba của mặt phẳng [M, ] hình 1 4

Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ hai và góc phần tư thứ tư của mặt phẳng [M,  ], hình 1 4

Hình 1.4: Trạng thái làm việc của truyền động điện trong góc phần tư đặc tính cơ

1.2.4 Tính đổi các đại lượng cơ học

1.2.4.1 Mômen và lực quy đổi

+ Quan niệm về sự tính đổi như việc dời điểm đặt từ trục này về trục khác của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực Thường quy đổi mômen cản Mc, (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ

+ Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ của hệ TĐĐ:

- Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất:

Ptr = Pc +P (1-7)

Ptr là công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.đ

(Mcqđ và đ -mômen cản tĩnh quy đổi và tốc độ góc trên trục động cơ)

Pc là công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv lv

(Mlv và lv - mômen cản và tốc độ góc trên trục làm việc)

P là tổn thất trong các khâu cơ khí

* Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay:

Rút ra:

i

M M

M

i lv i

lv lv cqd

 

F

Trong đó:  = t i hiệu suất bộ truyền lực

t hiệu suất của tang trống

- Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ:

Ptr = Pc -P

1.2.4.2 Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính:

+ Điều kiện quy đổi: bảo toàn động năng tích luỹ trong hệ thống:





n

1 i

W W

c

i D

D D qd

v m J

J J

1

2 2

1 1

2 2

22

.2

i D

qd

m i

J J

Jđ - mômen quán tính của động cơ

Jk - mômen quán tính của bánh răng thứ k

mj - khối lượng quán tính của tải trọng thứ j

i=k/đ - tỉ số truyền tốc độ từ trục

= /v - tỉ số quy đổi vận tốc của tải trọng

1.2.5 Phương trình động học của hệ truyền động điện

+ Là quan hệ giữa các đại lượng (, n, L, M, ) với thời gian:

Dạng tổng quát:

dt

J d M n

i i

) (

dt

d J M

.375

.55,

1.2.6 Điều kiện ổn định tĩnh của hệ TĐĐ

Như phần trước đã nêu, điểm làm việc ổn định là

giao của hai đặc tính cơ của cơ của động cơ và của cơ

cấu sản xuất: M()và Mc().Tuy nhiên, không phải bất

kỳ điểm làm việc nào như vậy của động cơ với các loại

tải cũng là các điểm làm việc ổn định, mà đó mới chỉ là

điều kiện cần, điều kiện đủ là điểm giao nhau đó phải

thỏa mãn điều kiện ổn định, người ta gọi là ổn định tĩnh

hay là sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải

Để xác định điều kiện đó, ta dựa vào phương trình động

học tại giao điểm:

Mc M



Vậy, điều kiện cần và đủ để hệ thống

truyền động điện làm việc ổn định tại một

điểm là: Tại điểm đó phải thỏa mãn đồng

thời hai điều kiện:

Điều kiện 1: MĐ – Mc = 0

Điều kiện 2: Đ - c < 0

Ví dụ: Xét xem điểm A có phải là điểm

làm việc ổn định không?

Theo hình vẽ trên, dễ nhận thấy:

Hình 1.5: Minh họa điểm làm việc ổn định

Hình 1.6: Minh họa cách xét điểm làm việc ổn định

- Điểm A thỏa mãn điều kiện cần: Tại A: Xét điều kiện đủ:

c c

c D D

D

D

n

M n

M n

M n

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

*Khái niệm chung

* Đặc tính cơ của động cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và mômen cơ ở đầu trục động

cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ điện:  = f(M) hay n = f(M) hoặc ngược lại

* Đặc tính cơ của máy sản xuất: Đặc tính cơ của MSX là mối quan hệ giữa tốc độ

quay của MSX (c, nc) và mômen của nó (Mc): nc = f(Mc) (Mc = f(nc) hay c = f(Mc) (Mc = f(c)

* Đặc tính cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch phần ứng động cơ:

 = f(I) hay n = f(I) hoặc ngược lại

Đơn vị tính: (Rad/s); n(vòng/phút); M, Mc(N.m)

Quy đổi:

30 60

* Biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối: Cách biểu diễn các đại lượng

như trên được gọi là biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tuyệt đối (hệ đơn vị có tên, các đại lượng đều có thứ nguyên) Trong nhiều trường hợp, cách biểu diễn này tỏ

ra không thuận tiện Người ta chuyển sang cách biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn

vị tương đối ( hệ đơn vị không tên, các đại lượng không có thứ nguyên), nhằm đơn giản hóa việc tính toán, dễ dàng so sánh các đại lượng với nhau, dễ nhận biết khả năng làm việc của động cơ với phụ tải đang tác động lên đầu trục động cơ, đánh giá được các chế độ làm việc của truyền động điện

Một đại lượng trong hệ đơn vị tương đối được kí hiệu là x* =

cb x x

Trong đó: x: Trị số của đại lượng đó, xcb: Trị số cơ bản của đại lượng đó

Các đại lượng cơ bản thường được chọn là: Uđm, Iđm, đm, Mđm, đm, Rcb,

R R U

U U

U

U U

Trong đó:

cb = đm : Đối với động cơ một chiều kích từ nối tiếp

cb = 0: Đối với động cơ một chiều kích từ song song hoặc độc lập

cb = 1 = đb: Đối với động cơ KĐB, ĐCĐB

: Đối với động cơ điện một chiều

R2cb = Z2cb: Đối với động cơ điện không đồng bộ;

Khi rotor đấu sao: R2cbY =

1.3.1 Phương trình đặc tính cơ - ảnh hưởng của các tham số

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động

cơ kích từ song song (hình 2.1)

Hình 1.7: Sơ đồ nối dâycủa động cơ kích từ

Eư : Sức điện động phần ứng, (V)

R : Điện trở của mạch phần ứng, ()

.

(1-19) Trong đó: : Số đôi cực từ chính,

: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng, : Từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb

: Tốc độ góc, rad/s,

: Hệ số cấu tạo của động cơ

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc quay (vòng/phút) thì:

n K

K

R R K

Biểu thức (2-4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định:





a

pN K

pN

 60

đt f u

K

R R K

U

.)(  2

bằng mômen điện từ: Mđt = Mcơ = M

M K

R R K

.)(  2

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc

 Giả thiết phần ứng được bù đủ, , thì phương trình đặc tính cơ điện

(1-21) và phương trình đặc tính cơ (1-23) là tuyến tính Chúng được biểu diễn là

những đường thẳng:

a) b)

Hình 1.9: a) Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

+) Ta thấy, khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì:

25)

(1-: Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

+) Còn khi ta có:

nm f u

u

R R

U I K

R R K

u f u

nm

nm M

I ,

)

M R K

U M K

R R K

(1-29)

M K

R K

I

R u

.)(

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối, với điều kiện từ thông là định mức

(

dm

dm cb

2 Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ (2-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ:

- Từ thông động cơ

- Điện áp phần ứng Uư

- Điện trở phần ứng động cơ Rư

Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số:

a Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:

I

I *

dm M

M

M *

cb R

R

R *



const U

U u  dm  dm const

f R

const K

cú giỏ trị lớn nhất nờn đặc tớnh cơ tự nhiờn cú độ cứng lớn hơn tất cả cỏc đường đặc tớnh cú điện trở phụ

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được một họ đường đặc tớnh biến trở cú dạng như hỡnh vẽ ứng với mỗi phụ tải Mc nào đú, nếu điện trở phụ càng lớn thỡ tốc độ động cơ

càng giảm đồng thời dũng điện ngắn mạch và mụmen ngắn mạch cũng giản Cho nờn người ta thường sử dụng phương phỏp này để hạn chế dũng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phớa dưới tốc độ cơ bản

Hình 1.10: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ

b Ảnh hưởng của điện ỏp phần ứng:

Như vậy khi thay đổi điện ỏp đặt vào phần ứng

động cơ ta được một họ đặc tớnh cơ song song với

đặc tớnh cơ tự nhiờn như hỡnh vẽ

Hỡnh 1.11: Cỏc đặc tớnh của động cơ một chiều kớch từ độc lập khi giảm ỏp đặt vào phần ứng

động cơ

Ta thấy rằng khi thay đổi điện ỏp (giảm ỏp) thỡ mụmen ngắn mạch, dũng điện ngắn

mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

Do đú phương phỏp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế

dũng điện khi khởi động

c Ảnh hưởng của từ thụng:

Giả thiết: U u = U đm = const, R ư = const

K u

Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ động cơ

Trong trường hợp này :

Tốc độ không tải:

Độ cứng đặc tính cơ:

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi từ thông giảm thì tăng còn sẽ giảm Ta có một họ đặc tính cơ với tăng dần và

độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông

Hình 1.12: Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện

một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Ta thường chọn: điểm không tải lý tưởng và điểm định mức

 Đặc tính cơ điện tự nhiên (xem hình 1.13a)

U I

u đm đm đm đm

K K

đm

n n



 

Hình 1.13 : Cách vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên (a) và đặc tính cơ tự nhiên (b)

của động cơ một chiều kích từ độc lập

 Đặc tính cơ tự nhiên (xem hình 1.13b)

 Đặc tính biến trở: Các đặc tính biến trở đều đi qua điểm không tải lý tưởng ,

vì vậy khi vẽ các đặc tính này chỉ cần xác định điểm thứ hai Thường chọn là điểm ứng với tải định mức:

- Đối với đặc tính cơ điện: ứng với Iđm

- Đối với đặc tính cơ : ứng với Mđm

Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên (1-23) ta có:

đm

u đm đm đm

K

R I U

M

M  ; 

m N

P M

f u đm đm đm

K

R R I U I

f u đm đm đm đm

R I U

R R I U I

Từ các số liệu đã biết trên ta vẽ được các đặc tính biến trở như hình vẽ sau:

Hình 1.14: Cách vẽ đặc tính biến trở của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

a Đặc tính cơ điện ; b Đặc tính cơ

Thông thường giá trị điện trở phần ứng không ghi trên nhãn máy Do vậy lúc đó

ta có thể tính gần đúng giá trị điện trở phần ứng Một phương pháp tính gần đúng là dụa vào giá trị hiệu suất định mức đã biết và tính được tổn thất của máy điện ở chế độ định mức Coi gần đúng phần tổn thất do điện trở phần ứng gây ra bằng một nửa tổn thất Như vậy ta tính gần đúng giá trị trên điện trở phần ứng là:

đm

đm đm u

- Gọi độ suy giảm từ thông là , ta có là giá trị tốc độ không tải khi giảm từ thông

Hình 1.16: Sơ đồ đấu dây động cơ khi khởi động qua 3 cấp điện trở phụ

Từ phương trình đặc tính cơ điện đã có:

u f u

K

R R

Khi dòng khởi động lớn sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng của động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện Đặc biệt là những hệ thống cần khởi động

và hãm nhiều lần trong quá trình làm việc

Để hạn chế dòng điện khởi động ta có thể giảm điện áp nguồn đặt vào động cơ hoặc nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng Phương pháp thứ nhất được sử dụng trong những hệ thống có bộ biến đổi điện áp Phương pháp thứ hai thường sử dụng khi động cơ được cung cấp điện áp cố định Sau đây ta khảo sát phương pháp khởi động dùng điện trở phụ

Trên hình 1.16 là sơ đồ nối dây của động cơ khi khởi động dùng điện trở phụ

Trị số điện trở phụ tổng được tính toán sao cho khi khởi động(=0) thì dòng khởi động không được vượt quá 2,5 Iđm để đảm bảo cho động cơ và cơ cấu truyền động Ngoài ra Inm cũng không nên quá nhỏ khiến mô men Mnm cũng nhỏ đi so với mô men cản, thường chọn

đm f

u

đm

R R

đm

R R

K U

Hình 1.17: Các đặc tính khởi động qua 3 cấp điện trở phụ

Muốn cho quá trình tăng tốc độ được tiến hành đều đặn và để cho động cơ làm việc ổn định trên đặc tính cơ tự nhiên ta phải dần cắt các điện trở phụ Việc cắt các điện trở phụ nhờ các tiếp điểm K1 , K2, K3 của các công tắc tơ

Quá trình khởi động sẽ làm việc trên một loạt đường đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc giảm dần tương ứng với việc cắt dần các điện trở phụ tại các điểm g, e, c, cuối cùng động cơ tăng tốc trên đặc tính cơ tự nhiên và làm việc ổn định tại điểm A Ở đó dòng điện chạy trong động cơ bằng dòng điện tải (I=Ic )

Muốn xác định trị số điện trở phụ khởi động ta dùng một số phương pháp sau:

a) Phương pháp đồ thị

- Dựa vào các thông số của động cơ ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên (H.1.16)

- Chọn hai giới hạn chuyển dòng điện khởi động cho động cơ:

Lấy giá trị I1, I2 trên trục hoành: Từ I1, I2 kẻ hai đường dóng song song với tục tung cắt đường đặc tính tự nhiên tại a và b, nối 0 với h(I1) ta được đặc tính khởi động đầu tiên; Đặc tính này cắt đường dóng I2 tại g Từ g kẻ đường song song với trục hoành cắt đường dóng I1 tại f Nối 0 với f ta được đường đặc tính khởi động thứ hai… Cứ tiếp tục như vậy tới khi từ c kẻ đường song song với trục hoành sẽ gặp điểm

b Nếu không thỏa mãn ta phải chọn lại I1 hoặc I2 rồi vẽ lại cho tới khi đạt được Ngoài

ra đặc tính khởi động còn phải đảm bảo số cấp điện trở khởi động theo yêu cầu

- Xác định trị số các điện trở khởi động:

Dựa vào biểu thức độ sụt tốc độ ∆ trên các đặc tính đã vẽ ứng với dòng điện,

ví dụ với I1 :

1 1

K

R R I

K

NT u

ib

bd R ib

ib id

u u

ib

df R ib

id if

u u

ib

fh R ib

if ih

b) Phương pháp giải tích

Giả thiết động cơ được khởi động với m cấp điện trở phụ Đặc tính khởi động dốc nhất là đặc tính thứ (m); ví dụ trên đồ thị hình 2.11 là đường 3, các đặc tính khởi động tiếp theo là (m-1), (m-2) …

Điện trở phụ ở mỗi cấp ta ký hiệu là Rf1, Rf2, Rf3 … Rfm và điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính là:

R1 = Ru+ Rf1

R2 = Ru+ Rf1+ Rf2

Rm-1 = Ru + Rf1+ Rf2+ Rf3 +….+ Rfm-1 (1-46)

Rm = Ru + Rf1+ Rf2+ Rf3 +….+ Rfm

Tại điểm g trên hình 2.11 ta có:

m

m đm R

E U

I2  

Tại điểm f:

1 1

E U I

Trong đó Em là sức điện động của động cơ ứng với m lập tỉ số I1/I2 ta có:

1 2

R I I

Tương tự đối với các cấp tiếp theo ta được:

m

R

R R

R R

R I

2 1 1

dm m

u

m

I R

U R

m

R* 1* * 1*

1

cb

u u

M

M I

I I R

1 lg lg

1

*

* 1

*

M R I

R R

2 Khi cho trước số cấp điện trở khởi động m, chế độ khởi động bình thường:

- Chọn giới hạn dòng điện chuyển khi khởi động:

I2=(1,11,3)Iđm

- Từ (1-49) hoặc (1-50) thay I1= I2 hoặc I*1= I*2=  M*2 và biến đổi ta sẽ tính được :

1 2



m u

đm

I R

* 2

*

11

- Theo biểu thức (1-51) tính số cấp điện trở khởi động m, nếu m tính ra không phải là số nguyên thì phải chọn lại I1M1 hoặc I2M2 và tính lại cho tới khi m là số

nguyên

- Theo biểu thức (1-52) xác định trị số các cấp điện trở khởi động mỗi cấp

1.3.4 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ quay Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng

a Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về lưới):

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng Khi hãm tái sinh Eư > Uư , động cơ làm việc như một máy phát địên song song với lưới So với chế độ động cơ dòng điện và mômen cản đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức:

Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi

cân bằng với mômen phụ tải của cơ cấu

sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định

với tốc độ

Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm

tái sinh nằm trong góc phần tư thứ hai

và thứ tư của mặt phẳng toạ độ

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng

điện hãm đổi chiều và công suất được

đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E -

U)I Đây là phương pháp hãm kinh tế

nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu

Có hai trường hợp hãm ngược:

R

E U

 Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng:

Hình 1.19: Đặc tính cơ hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng tải thế năng

Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a Ta đưa một điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm

b trên đặc tính biến trở

Tại điểm b, mômen do động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc

độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên Đến điểm c tốc độ bằng 0 nhưng vì mômen động

cơ nhỏ hơn mômen tải nên dưới tác động của tải trọng, động cơ quay theo chiều ngược lại Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần Đến điểm d, mômen động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi, cd là đoạn đặc tính hãm ngược Khi hãm ngược, vì tốc độ đổi chiều, s.đ.đ đổi dấu nên:

Như vậy ở đặc tính hãm ngược s.đ.đ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới Động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng vì vậy tổn thất năng lượng lớn

 Đảo chiều điện áp phần ứng:

f u f

u

u u h

R R

K U R R

E U

M  

b)

Hình 1.20: Hãm ngựơc bằng pp đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ

a.Sơ đồ đấu dây, b Đặc tính cơ

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải Mc, ta đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm vào điện trở phụ Rf trong mạch Động cơ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở tại b mômem đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc Tại c tốc độ bằng không, nếu ta cắt phần ứng khỏi điện áp nguồnthì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ nguyên điện

áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c mômen động cơ lớn hơn mômen cản thì động

cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d Đoạn bc trên hình vẽ là đặc tính hãm ngược

Dòng điện hãm được tính:

f u

u u f

u

u u h

R R

E U R

R

E U I

Biểu thức (1-59) biểu thị dòng điện Ih có chiều ngược với chiều làm việc ban đầu

và dòng điện hãm này có thể khá lớn; do đó điện trở phụ đưa vào phải có giá trị đủ lớn hạn chế dòng điện hãm ban đầu Ihđ trong phạm vi cho phép:

và phương trình đặc tính cơ có dạng:

(1-61)

c Hãm động năng

Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng

cơ học của động cơ đẵ tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

Hinh 1.21: Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập của động cơ DC kích từ độc lập

a Sơ đồ điện khi hãm, b Đặc tính cơ hãm

Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị nên:

Biểu thức (1-62) và (1-63) chứng tỏ dòng hãm Ihd và Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu của động cơ khi hãm động năng Uư = 0 nên ta có các phương trình đặc tính sau:

(1-64)

(1-65) Đây là các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập.Ta nhận thấy rằng:

Khi thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc vào Rh Khi Rh càng nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càng nhanh

Tuy nhiên cần chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép:

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng với mômen cản Mc là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẳn, đặc tính hãm động năng là đoạn b1o hoặc b2o Với mômen cản là thế năng thì dướ tác động của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược

K

R R

lại đến làm việc ổn định tại điểm M = Mc Đoạn b1c1 hoặc b2c2 cũng là đặc tính hãm động năng

Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ được nên công suất tiêu tốn chỉ mằm trong mạch kích từ

Phương trình cân bằng công suất khi hãm động năng:

 Hãm động năng tự kích:

Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì không thực hiện hãm được do vậy cuôn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn Muốn khắc phục nhược điểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích từ Hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích

từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm, chiều dòng điện kích từ vẫn giữ không đổi

Sơ đồ nguyên lý ta có: Iu = Ih + Ikt

a)

b)

Hình 1.22: Sơ đồ hãm động năng tự kích của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

a Sơ đồ nguyên lý; b Đặc tính cơ hãm

h kt

h kt u h kt

h kt u u

R R

R R R K R

R

R R R

E I



Và phương trình đặc tính cơ là:

u h kt

h kt u u

I K

R R

R R R R

R R R R

h kt

h kt u u

)

Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông

giảm dần và là hàm số của tốc độ Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng như đường

đặc tính không tải của máy phát điện tự kích và phi tuyến như hình vẽ trên

So với phương pháp hãm ngựơc, hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng

có cùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản Tuy nhiên, hãm động năng ưu việt hơn về

mặt năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ điện năng từ lưới

nên phương pháp hãm này có khả năng hãm khi có sự cố mất lưới điện

1.4 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối

tiếp với cuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít,

chế tạo dễ dàng Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích nối tiếp được vẽ trên

hình dưới.Vì dòng kích từ cũng là dòng phần ứng nên từ thông của động cơ biến đổi

Trong các phương trình trên biến đổi phụ thuộc

dòng điện trong mạch kích từ theo đặc tính từ hoá (

đường 1 - hình vẽ)

Để đơn giản khi thành lập phương trình các đặc

tính ta giả thiết từ thông phụ thuộc tuyến tính với

dòng điện kích từ như đường 2

K

R K





Hình 1.24: Đặc tính từ hoá của động cơ

một chiều kích từ nối tiếp



Thế vào phương trình (2-52) ta được:

Hình 1.25: a Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

b Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0) thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ là

vô cùng lớn Nhưng thực tế do có ma sát và các tổn thất phụ và động cơ có từ dư:

nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có một giá trị

A KC

R I C K



C K

R B

.



C K

A B M

C K A

- Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải Do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biết được sự thay đổi của phụ tải Tuy nhiên không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn định cao mà nên sử dụng nó trong những truyền động có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải

- Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơ lớn hơn định mức, do đó mômen của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng của dòng điện Như vậy với mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải về mômen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập Nhờ ưu điểm đó mà động cơ kích từ nối tiếp rất thích hợp cho những truyền động làm việc thường có quá tải lớn và yêu cầu mômen khởi động lớn như máy nâng vận chuyển máy cán thép

- Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năng chịu tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện Loại động cơ này thích hợp cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện dài

1.4.2 Cách vẽ đặc tính cơ:

Do quan hệ là phi tuyến

nên để vẽ các đặc tính cơ điện và đặc tính

cơ của động cơ điện người ta sử dụng

phương pháp đồ thị giải tích dựa vào

Các đường cong thực nghiệm đã cho

Vì các động cơ một chiều kích từ nối tiếp

cùng loại đều có khe hở không khí và

mức độ bão hoà từ thông khác nhau nhiều

nên các quan hệ giữa tốc độ , mômen

M với dòng điện I theo đơn vị tương đối

gần như là trùng nhau Người ta gọi các

Các đặc tính này được biểu diễn trên hình vẽ

 Phương pháp vẽ đặc tính tự nhiên từ các đặc tính vạn năng

Với mỗi động cơ một chiều nối tiếp ta biết các chỉ số của Pđm, Iđm,

Muốn vẽ đặc tính tự nhiện ta tiến

hành như sau:

Lấy các gí trị tuỳ ý của dòng điện

tương đối I1, I2, , In Dựa vào các đặc

tính vạn năng ta tra được các trị số

tương ứng của tốc độ và mômen tương

Tính đổi các đại lượng đối ra đại lượng

tuyệt đối theo biểu thức:

Hình 1 27: Cách vẽ đặc tính tự nhiên và nhân tạo

của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Ta có bảng sau:

Dựa vào các kết quả tình được trên bảng ta vẽ được đặc tính cơ điện tự nhiên

và đặc tính tự nhiên như hình vẽ trên

 Phương pháp vẽ đặc tính biến trở

Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên ta có:

Từ phương trình đặc tính cơ nhân tạo ta cũng có:

Nếu xét ở cùng một dòng điện thì từ thông trong hai phương trình trên như nhau nên ta có:

f u u u TN TN

R I U

R R I U





Từ (1-76) và ứng với các giá trị I1, I2 In ta tính được với Rf

đã biết, và ghi tiếp kết quả tính này vào bảng trên Căn cứ vào các số liệu này ta vẽ được đường đặc tính cơ điện nhân tạo như hình vẽ

1.4.3 Khởi động và xác định điện trở khởi động.

(Tham khảo TL trang 52 )

1.4.4 Trạng thái hãm của động cơ kích từ nối tiếp:

Do đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có tốc độ rất lớn nên dòng điện chỉ thực hiện hãm ngược và hãm động năng chứ không có trạng thái hãm tái sinh

a.Trạng thái hãm ngược:

 Hãm ngược bằng cách đưa R f lớn vào động cơ

Đặc tính cơ khi hãm chính là đặc tính biến trở ứng với tải thế năng, đoạn đặc tính cd chính là đặc

tính hãm ngược Dòng điện hãm được

tính như sau:

Đặc tính cơ hãm ngược với Rf

trong mạch được trình bày như hình

vẽ

Hình 1.28: Đặc tính cơ hãm ngược với điện trở

trong mạch phần ứng

 Hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng

Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi hãm được biểu diễn trên hình vẽ

Chú ý khi thực hiện hãm chiều dòng điện kích từ cần giữ nguyên

Người ta thường sử dụng trạng thái này để hãm dừng máy

Đoạn bc trên đặc tính cơ là đặc tính hãm ngược Dòng điện hãm là:

Phương trình đặc tính cơ là:

Rf được tính để sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép

TNn TN

dm h

R R

K U

dm h

R R

K U I

a) b)

Hình 1.27: a Sơ đồ nguyên lý hãm ngược đảo chiều điện áp phần ứng động cơ; b.Đặc tính cơ

hãm ngược bằng đổi chiều cực tính điện áp phần ứng

b.Trạng thái hãm động năng:

- Hãm động năng kích từ độc lập:

Khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm ta cắt phần ứng động cơ khỏi nguồn điện áp một chiều và đóng vào điện trở hãm Còn cuộn kích từ được nối vào lưới điện với một điện trở phụ sao cho dòng kích từ lúc này có chiều như cũ và trị số không đổi bằng dòng Iktđm Trạng thái hãm này giống như ở máy điện một chiều kích

từ độc lập Sơ đồ và đặc tính được thể hiện như hình 1.30

Phương trình đặc tính cơ khi hãm là:

(1-79)

Trong đó:

a)

b)

Hình 1.30: a Sơ đồ nguyên lý hãm động năng động cơ một chiều kích từ nối tiếp

b Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập cửa động cơ kích từ nối tiếp

K  M

R R

dm

f u

2 '

R'   

Điện trở hãm được chọn sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép:

(1-80)

- Hãm động năng tự kích khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm động năng

tự kích ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm nhưng dòng kích từ vẫn giữ nguyên chiều cũ Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ hãm biểu diễn như hình vẽ sau:

Phương trình đặc tính cơ khi hãm là:

(1-81)

và từ thông kích từ giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích

Hình 1.31: a Sơ đồ nguyên lý hãm động tự kích của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

b Đặc tính cơ hãm động năng tự kích cửa động kích từ nối tiếp

1.5 Đặc tính cơ động cơ KĐB

Ưu điểm:

- Cấu tạo đơn giản

- Giá thành hạ so với động cơ DC

- Vận hành tin cậy, chắc chắn, không cần linh kiện phụ

bd dm

R R

bd dm

1.5.1 Phương trình đặc tính cơ

Để lập phương trình đặc tính cơ ta

sử dụng sơ đồ thay thế một pha hình 1.32

Một số giả thiết:

- Ba pha động cơ là đối xứng

- Nguồn xoay chiều hình sin ba pha

U1f là trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)

I’2 là dòng rôto đó quy đổi về stato (A)

I là dòng mạch từ hóa

I1 là dòng stato,

X, X1, X’2 là điện kháng mạch từ, điện kháng tản stato, điện kháng tản rôto

đó quy đổi về stato

R, R1, R’2 là điện trở mạch từ, stato, rôto đó quy đổi về stato

s là hệ số trượt của động cơ:

1

n p

f



 



 tốc độ góc của rôto động cơ (rad/s)

f1 tần số của điện áp nguồn đặt vào stato (Hz),

p số đôi cực của động cơ

Từ sơ đồ thay thế:

2 1

2 2 1 1

11

nm

f

X s

R R X

R U

R R

U I

2 2 ' 2 1

1 '

Khi  = 0, s = 1 thì

nm

f nm

X R

R

U I

I

2 2 ' 2 1

1 2

' 2

3



s

I R

' 2 2

1 3

nm

f

X s

R R s

R U M

Biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong như hình 1.35 Có thể tìm điểm cực trị của đường bằng cách giải  0

ds

dM

, ta sẽ được trị số của M và s tại điểm cực trị

ký hiệu là Mth , sth (mômen và hệ số trượt tới hạn)

Ta được:

2 2 1

' 2

nm

th

X R

R s

2

3

2 2 1 1 1

2 1

nm

f th

X R R

U M

th

th th

s a s

s s s

s a M M

2

) 1 ( 2

Đối với động cơ công suất lớn thì R1 rất nhỏ so với Xnm lúc này có thể bỏ qua R1 , coi R1=0, s.sth =0 và (1-91) được viết dưới dạng gần đúng:

s

s s s

M M

th th

th

