giao trinh truyen dog dien

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: M = fω * Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: + Đặc tính cơ

TRƯỜNG TRUNG CẤP KTNV CÁI BÈKHOA KTNV

+ Trình bày được các nguyên tắc cơ bản điều khiển tự động HT-TĐĐTĐ.

+ Phân tích và đánh giá được các mạch điều khiển tự động điển hình của các máyhoặc hệ thống đã có sẵn

+ Trình bày được nguyên tắc làm việc của phần tử điều khiển logic

+ Tổng hợp được một số mạch điều khiển logic

+ Thiết kế được các mạch điều khiển tự động của các máy hoặc hệ thống theo yêucầu công nghệ

Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

1.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG (TĐĐ TĐ)

Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tự động:

* Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động:

Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử,v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu côngtác trên các máy sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quátrình 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 chỉnhtruyền 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 TĐ gồm 2 phần chính:

- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộbiến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các bộ biến đổinhư: 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 loạinhư: 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 chỉnhtham 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 TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị

tự động khác hoặc với máy tính điều khiển

Phân loại hệ thống truyền động điện tự động:

- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lướiđiện, 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 truyềnđộng 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 điềukhiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự độngđiều khiển theo chương trình

- Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điện mộtchiều, 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 độngđiện tự động

- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyềnđộng 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 củamáy sản xuất:

Mc = f(ω)+ Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biếudiễn dưới dạng biểu thức tổng quát:

Trong đó:

Mc - mômen ứng với tốc độ ω

Mco - mômen ứng với tốc độ ω= 0

Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức ω đm

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

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

- Khi α = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu hình máy tiện,doa, máy cuốn dây, cuốn giấy, (đường 4)

Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (lực cản)càng lớn

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

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

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

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

- Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f(ϕ);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 tínhthuộc loại này

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

- 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 thếnăng

Trên hình 1-2c biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng phảnkháng

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:

M = f(ω)

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

+ Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bìnhthường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng nhưcủa 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 sựthay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụtrợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt Mỗi động cơ có thể có nhiều đặ tính cơnhân tạo

+ Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm (β≤ 10)

1.2.3 TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA HỆ TĐĐ TĐ.

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

Ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó

có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành côngsuất cơ: Pcơ = M ω cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ cấu công tác của máy.Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độquay

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 hoặcthế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động cơ tiếpnhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện Công suất điện có giá trị âmnếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sảnxuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay Mômen của máysản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản Nó cũng được định nghĩa dấu âm vàdương, ngược lại với dấu mômen của động cơ

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

Pđ = Pc + ∆Pđ 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 cơphân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng ω (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 ω(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, ω ]:

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

Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ hai và gócphần tư thứ tư của mặt phẳng [M, ω ], 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 củamômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực Thường quy đổi mômencản 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 TĐ:

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

(1-5)Trong đó:

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

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

Pc là công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv ωlv

(Mlv và ωlv - 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:

ωη

ω

Rút ra:

i

M M

M

i

lv i

lv lv cqd

ω ηη

η = ηt ηi hiệu suất bộ truyền lực.

ηt hiệu suất của tang trống

gọi là tỷ số quy đổi

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

Ptr = Pc -∆P (tự chứng minh)

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:

∑

= n1 iWW

Chuyển động quay: 2

2

1ω

D D

D qd

v m J

J J

1

2 2

1 1

2 2

22

.2

2

ωω

i D

qd

m i

J J

J

1 2 1 ρ2Trong đó:

Jqđ - mômen quán tính quy đổi về trục động cơ.

ωđ - tốc độ góc trên trục động cơ.

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

n i i

)(1

.3752

Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s):

M−Mc = J dn dt

55,9Mômen động: Mđg = M−Mc = J

ổn định: ω = const

* Nếu chọn và lấy chiều của tốc độ ω làm chuẩn thì: M(+) khi M ω↓↓ và M(-) khi

Mω↑↑ ; Còn Mc(+) khi Mcω↓↑ ; Mc(-) khi Mc ω↓↑

1.2.6 ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ TĐĐ TĐ

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(ω) và Mc(ω) 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

ω

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: βĐ - βc < 0

Ví dụ: Xét xem điểm A có phải là điểm

làm việc ổn định không?

Theo hình vẽ trên, dễ nhận thấy:

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

Hình 9: Minh họa điểm làm việc ổn định.

Hình 10: Minh họa cách xét điểm làm việc ổn định.

c c

c

D D

D

D

n

M n

M n

M n

M

ββ

Vậy: βD −βc >0

- Kết luận: Điểm A không thỏa mãn điều kiện đủ, A không phải là điểm làm việc ổn định

Câu hỏi ôn tập

1 Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống truyền động điện là gì ?

2 Có máy loại máy sản xuất và cơ cấu công tác ?

3 Hệ thống truyền động điện gồm các phần tử và các khâu nào ? Lấy ví dụ minh họa

ở một máy sản xuất mà các anh (chị) đã biết ?

4 Mômen cản hình thành từ đâu? Đơn vị đo lường của nó ? Công thức quy đổimômen cản từ trục của cơ cấu công tác về trục động cơ ?

5 Mômen quán tính là gì ? Đơn vị đo lường của nó ? Công thức tính quy đổi mômenquán tính từ tốc độ ωi nào đó về tốc độ của trục động cơ ω?

6 Thế nào là mômen cản thế năng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị theo tốc độ ?Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản thế năng

7 Thế nào là mômen cản phản kháng? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản phảnkháng

8 Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất Phương trình tổng quát của nó và giải tíchcác đại lượng trong phương trình ?

9 Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện; cần trục, máy bào, máybơm

10 Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện có phần cơ dạng mẫu cơhọc đơn khối và giải thích các đại lượng trong phương trình ?

11 Dùng phương trình chuyển động để phân tích các trạng thái làm việc của hệ thốngtruyền động tương ứng với dấu của các đại lượng M và Mc ?

12 Định nghĩa đặc tính cơ của động cơ điện ?

13 Định nghĩa độ cứng đặc tính cơ ? Có thể xá định độ cứng đặc tính cơ theo nhữngcách nào ?

14 Phân biệt các trạng thái động cơ và các trạng thái hãm của động cơ điện bằngnhững dấu hiệu nào? Lấy ví dụ thực tế về trạng thái hãm của động cơ trên một cơcấu mà anh (chị) đã biết ?

15 Chiều của dòng năng lượng sẽ như thế nào khi động cơ làm việc ở trạng thái động

Chương 2

CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN

*Khái niệm chung.

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

gọi là đặc tính cơ của động cơ điện: ω = 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 (ωc, nc) và mômen của nó (Mc): nc = f(Mc) (Mc = f(nc) hay ωc = f(Mc) (Mc =f(ωc)

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

= f(I) hay n = f(I) hoặc ngược lại

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

Quy đổi:

3060

2πn πn

ω = = hay

π

ω30

=

* 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, cácđại lượng đều có thứ nguyên) Trong nhiều trường hợp, cách biểu diễn này tỏ ra khôngthuận 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 tínhtoán, dễ dàng so sánh các đại lượng với nhau, dễ nhận biết khả năng làm việc của động cơvới phụ tải đang tác động lên đầu trục động cơ, đánh giá được các chế độ làm việc củatruyền động điện

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

cb

x

x

(24)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, ωđm, Mđm, Φđm, Rcb,

dm

R R U

U U

U

U U

Trong đó:

ωcb = ωđm : Đối với động cơ một chiều kích từ nối tiếp.

ωcb = ω0: Đối với động cơ một chiều kích từ song song hoặc độc lập.

ωcb = ω1 = ωđb: Đối với động cơ KĐB, ĐCĐB.

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

Khi rotor đấu sao: R2cbY =

2

1

.(26)

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

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạchkích từ thường mắc sông song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơkích từ song song (hình 2.1)

Hình 2.1: Sơ đồ nối dây của động cơ kích

từ song song

Hình 2.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích

từ độc lậpKhi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi làđộng cơ kích từ độc lập (hình 2.2)

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

1 Phương trình đặc tính cơ:

Theo sơ đồ hình 2-1 và 2-2 ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

Uư = Eư + Iư.(Rư+Rp) (2-1)

Trong đó: Uư : Điện áp phần ứng, (V)

rư : Điện trở cuộn dây phần ứng,rcf : Điện trở cuộn cực từ phụ,

rb : Điện trở cuộn bù,rct : Điện trở tiếp xúc của chổi điện,Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

(2-2)Trong đó: p : Số đôi cực từ chính,

N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng,

a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng,

Φ : Từ thông kích từ dưới một cục từ, Wb

ω : Tốc độ góc, rad/s,

a

pN K

π2

= : Hệ số cấu tạo của động cơ.

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

Từ (2-1) và (2-2) ta có :

(2-4)

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:

Mđt = KΦIư (2-5)

Suy ra: Iư =

M

K

R R K

2)( Φ

+

−Φ

=

ω (2-7)

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

 Giả thiết phần ứng được bù đủ, Φ=const, thì phương trình đặc tính cơ điện (2-4)

và phương trình đặc tính cơ (2-7) là tuyến tính Chúng được biểu diễn là nhữngđường thẳng:

a) b)

Hình 2.3: 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 không tải, lý tưởng coi Iư = 0 hoặc M = 0 thì:

0ω

ω : Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

+) Còn khi ngắn mạch động cơ, tức động cơ được cấp nguồn phần ứng mà rôto không quay, đây là trạng thái bắt đầu khởi động hoặc mất từ thông động cơ hay cơ cấu máy sản xuất bị kẹt,ω = 0 ta có:

(2-9)

f u

M K

R R

2Φ+

Và M =KΦI nm =M nm (2-10)nm

ω

∆ : Độ sụt tốc độ ứng với mỗi giá trị của M

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(Φ=Φdm)

Trong đó:

0

*ω

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 Φ

- 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 và họ đặc tính biến trở:

Giả thiết: U u =U dm =const

const

dm =Φ

=

Trong thực tế vận hành, người ta cú thể nối thờm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng

vỡ những mục đớch khỏc nhau, vớ dụ để giảm dũng điện phần ứng, để điều chỉnh tốc độ,

mụ men động cơ Khi đú nhận thấy:

const K

ω (2-15)

Độ cứng của đặc tớnh cơ thay đổi giỏ trị:

(2-16)Khi R f càng lớn, trị số β càng nhỏ nghĩa là đặc tớnh cơ càng dốc ứng với R f =0 ta

cú đặc tớnh cơ tự nhiờn:

( )

u

dm TN

β cú giỏ trị lớn nhất đối với một động cơ.

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được một họ đường đặc tớnh biến trở cú dạng nhưhỡnh 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 giảm 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 2.4: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ

b Ảnh hưởng của điện áp phần ứng và

họ đặc tính giảm áp:

Giả thiết: Φ=Φdm =const, R u =const.

Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm

Hình 2.5: Các đặc tinh của động cơ một

chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào

c Ảnh hưởng của từ thông:

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

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

Trong trường hợp này :

Tốc độ không tải: 0 =var

Φ

=

x

dm x

Hình 2.6: 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:

Dòng điện ngắn mạch: const

R

U I

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

 Đặc tính cơ điện tự nhiên (xem hình 2.7a)

dm dm

η

ω =

Hình 2.7 : 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 2.7b)

- Đối với đặc tính cơ điện: ω ứng với Iđm

- Đối với đặc tính cơ : ω ứng với Mđm

Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên (3-6) ta có:

Và phương trình đặc tính biến trở tính được:

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

Hình 2.8: 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 vàogiá trị hiệu suất định mức đã biết ηdm 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 Nhưvậy ta tính gần đúng giá trị trên điện trở phần ứng là:

(3-19)

3 Cách vẽ đặc tính giảm từ thông.

Như phần trên đã nêu khi giảm từ thông, đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động

cơ không đồng nhất với nhau, do vậy ta chỉ cần xét riêng từng loại đặc tính

 Đặc tính cơ điện:

Khi giảm từ thông tốc độ không tải động cơ tăng tỷ lệ với độ suy giảm của từthông,còn dòng điện ngắn mạch giữ không đổi Vì vậy khi vẽ đặc tính cơ điện ta chỉcần xác định hai điểm: Điểm không tải lý tưởng ứng với giá trị suy giảm từ thông vàđiểm còn lại là dòng ngắn mạch.

- Gọi độ suy giảm từ thông là

Φ

Φ

= dm

x , ta có ω =ox ωoTN.x là giá trị tốc độ không

tải khi giảm từ thông

- Dòng điện ngắn mạch được tính:

u

udm nm

R

U

I = (3-20)Cách vẽ đặc tính cơ điện giảm từ thông được chỉ trên hình 2.9a

x

M

2.1.3 Tính toán điện trở khởi động.

Ta có đồ thị để xác định điện trở khởi động như sau:

Giả sử đã có đồ thị đặc tinh khởi động vẽ trên hình đảm bảo các điều kiện như đã nêu đốivới động cơ một chiều kích từ độc lập Với 2 giá trị I1 và I2 trên mỗi đặc tính ta kẻ cácđường thẳng ab,cd ,ef, gh Các đường thẳng này đồng qui tai điểm A ( Việc chứng minhxen tai SGK ) Các bước tiến hành xác định giá trị các cấp điện trở phụ được tiến hànhnhư sau :

Bước 1 : Dựa vào các thông số của động cơ và các đặc tính vạn năng tiến hành dựng đặc

tính cơ điện tự nhiên

Bước 2 : Chọn giới hạn trên của dòng điện khởi động I1 ≤(2÷2,5)I dm và tính điện trở

tổng mạch phần ứng tương ứng I1 khi động cơ chưa quay

R= Uđm/I1

Bước 3 : Chọn giới hạn dưới của dòng điện khởi động I2 ≥(1.1÷1.3)I dmhoặc Ic Từ I2 dựa

vào đặc tính cơ điện tự nhiên tính tốc độ nhân tạo của động cơ tại điểm g trên đặc tínhbiến trở dốc nhất theo biểu thức

d dm

dm tn nt

R I U

R I U

kẻ đường thẳng qua h,g ta được đường tuyến tính hóa của đặc tính khởi động dốc nhất.Trên đặc tính tự nhiên vẽ đường thẳng qua 2 điểm b,a Đường thẳng này cắt đương hg tạiđiểm A

Bước 4 : Từ A dựng họ đặc tính khởi động hình tia đảm bảo các điều kiện:

- Số đặc tính biến trở bằng số cấp điện trở khởi động yêu cầu

- Điểm c và b nằm trên đường thẳng song song với trục hoành

Nếu không thỏa mãn các điều kiên trên phải chọn lại I1 hoặc I2 rồi dựng lại

Bước 5 : Gọi toàn bộ điện trở phụ khi khởi đông là Rf ta có Rf = R - Rđ

f f

f f

R bh

hf R

R bh

df R

R bh

bd R

3 2 1

2.1.4 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 biểuthức:

R

E U

h

ωω

(2-38)0

Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi

cân bắng với mômen phụ tải của cơ cấu

sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định

với tốc độ ω >0d ωo

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 đ

iện năng hữu ích

Hình 2.10: Đặc tính cơ hãm tái sinh của

động cơ kích từ độc lập

b.Hãm ngược:

Trạng thái hãm ngược của dộng cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tíchluỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngược chiều với

mômen điện từ của động cơ Mômen sinh ra bởi động cơ, khi đó chống lại sự chuyểnđộng của cơ cấu sản xuất

Có hai trường hợp hãm ngược:

 Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng:

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

Tại điểm b, mômen do động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc độnhưng 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 theochiều 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 tínhhãm ngược Khi hamư ngược, vì tốc độ đổi chiều, s.đ.đ đổi dấu nên:

f u f

u

u u h

R R

K U R R

E U

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

 Đảo chiều điện áp phần ứng:

Hình 2.12: Hãm ngựơc bằng pp đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ

a.Sơ đồ đấu dây, b Đặc tinh cơ

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

+

+

=+

2Φ

+

−Φ

 Hãm động năng kích từ độc lập:

Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phầnứng động cơ khỏi lưới điện một chiều, và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từvẫn nối với nguồn như cũ Mạch điện động cơ khi hãm động năng được trình bày nhưhình vẽ

a) b)Hinh 2.13: 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 hãmTại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị ωhd nên:

hd

và dòng điện hãm ban đầu: M hd =KΦI hd <0 (2-46)

Biểu thức (2-46) và (2-47) chứng tỏ dòng hãm Ihd và Mhd ngược chiều với tốc độ banđầu của động cơ khi hãm động năng Uư = 0 nên ta có các phương trình đặc tính sau:

u h

K

R R

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 củađộng cơ tích luỹ được nên công suất tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ

( ) dm

P = 1÷5%Phương trình cân bằng công suất khi hãm động năng:

Eư Ih = ( Rư + Rh)Ih

 Hãm động năng tự kích:

Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì không thựchiện hãm được do mất từ thông Để khắc phục nhược điểm này người ta thường sử dụngphương pháp hãm động năng tự kích từ

Hãm động năng tự kích xãy 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 khôngđổi

Sơ đồ nguyên lý ta có: Iu = Ih + Ikt

Hình 2.14: 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

Và phương trình đặc tính cơ là:

(2-50)

và: (2-51)

trong đó, từ thông Ф thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ

Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảmdần và là hàm số của tốc độ Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng như đường đặc tínhkhông 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 cócùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản Tuy nhiên, hãm động năng ưu việt hơn về mặtnăng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ điện năng từ lưới nênphương pháp hãm này có khả năng hãm khi có sự cố mất lưới điện

2.2 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 tiếpvới 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 mô tả trên hình dướiđây.Vì dòng kích từ cũng là dòng phần ứng nên từ thông của động cơ biến đổi theo dòngđiện phần ứng

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp

K

R K

U

Φ

−Φ

=

ω (2-52)

( )K M

R K

2Φ

−Φ

=

ω (2-53)

Trong các phương trình trên Φ biến đổi phụ thuộc dòng điện trong mạch kích từ theođặc 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

A KC

R I C K

ω (2-56)

Trong đó: Đặt

C K

R B

=

Ta cũng có:

C K

A B M

C K

dm

Φ

ktIkdm

I

2 1

ktIkdm

Hình 2.17: 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 vôcùng lớn Nhưng thực tế do có ma sát và các tổn thất phụ và động cơ có từ dư:

Tốc độ ωot này thường rất lớn so với tốc độ định mức, nên thực tế không cho phép

động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải

Ngoài ra nhìn vào đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và cấu tạo của nó

ta có nhận xét sau:

- Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theophụ 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 nốitiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơ lớn hơn địnhmức, do đó mômen của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng của dòng điện Như vậy vớimức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quátải về mômen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập Nhờ ưuđiểm 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 cánthép

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

2.2.2 Cách vẽ đặc tính cơ:

Do quan hệ Φ= f( )I u 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 bảo hoà từ thông không

khác nhau nhiều nên các quan hệ giữa

tốc độ ω , mômen M với dòng điện I

theo đơn vị tưong đối gần như là trùng

nhau Người ta gọi các quan hệ

Hình 2.18: Đặc tính vạn năng của động cơ một

chiều khích từ nối tiếp

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, ηdm

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

đổi các đại lượng đối ra đại lượng tuyệt

đối theo biểu thức:

dm

I

I

I = * , ω =ω*.ωdm,

M M

TN

ωNếu xét ở cùng một dòng điện thì từ thông trong hai phương trình trên như nhaunên ta có:

f u u u TN TN

R I U

R R I U

ω

Từ (2-59) và ứng với các giá trị I1, I2 In ta tính được ωTN1,ωTN2, ωTNn với Rf đãbiết, và ghi tiếp kết quả tính này vào bảng trên Căn cứ vào các số liệu này ta vẽ đượcđường đặc tính cơ điện nhân tạo như hình vẽ

2.2.3 Khởi động và xác định điện trở khởi động (Tham khảo TL trang 52 )

2.2.4 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 ω0t 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

dm h

R R

K U

I

+

Φ+

(2-63)Đặc tính cơ hãm ngược với Rf

trong mạch được trình bày như hình

vẽ

Hình 2.20: Đặc tính cơ hãm ngược với điện trở trong mạch 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:

p u

dm h

R R

K U I

+

Φ+

2Φ

+

−Φ

Hình 2.21: 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 nguồnđiện áp một chiều và đóng vào điện trở hãm Còn cuộn kích từ được nối vào lưới điện vớimột điện trở phụ sao cho dòng kích từ lúc này có chièu như cũ và trị số không đổi bằngdòng Iktđm Trạng thái hãm này giống như ở máy điện một chiều kích từ độc lập Sơ đồ vàđặc tính được thể hiện như hình 26

Phương trình đặc tính cơ khi hãm là:

(K ) M

R R

dm

f u

2

'Φ

Hình 2.22: 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 nốitiếp

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

( ) dm h

u

bd dm

R R

Nên: u

h

bd dm

- Hãm động năng tự kích khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm động năng tựkích ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãmnhưng dòng kích từ vẫn giữ nguyên chiều cũ Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ hãm biểudiễn như hình vẽ sau:

Phương trình đặc tính cơ khi hãm là:

( )K M

R

R u h

2Φ

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

2.3 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

2.3.1 Các đặc tính tự nhiên và biến trở

Khi làm việc ở trạng thái động cơ sức từ động của hai cuộn kích từ có chiều trùng nhau

từ thông chính của động cơ được tạo ra bởi từ thông tổng của các stđ nói trên :

Φchính = Φ// +ΦntFkt = Fkts + Fktn = WktsIkts + WktnIktnTrong các biểu thức trên Φ// ,Φnt : từ thông do các cuộn kích từ song song và nối tiếp tạo

ra

Wkts , Wktn : Số vòng dây của cuộn song song và nối tiếp

Ikts , Iktn : Dòng điện chạy qua cuộn song song và nối tiếp

Như vậy từ thông chính của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng tức là phụ thuộcvào phụ tải Vì động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có hai cuộn kt nên các đặc tính của nó

có dạng trung gian giữa động cơ kích từ độc lập và nối tiếp

Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có dạng như sau :

tuỳ thuộc vào tương quan tác dụng giữa hai cuộn kt mà đặc tính cơ của nó có dạng gầnđặc tính này hoặc đặc tính kia

Cuộn kích từ song song tạo ra từ thông không đổi đảm bảo cho động cơ làm việc được ởtrạng thái không tải ( Iư = 0 ) với tốc độ không tải lý tưởng :

0 l

s

u k

ω =Φ

Vì thông thường Φ =s (0,75 0,85)− Φdm nên so với động cơ một chiều kích từ độc lập cócùng giá trị Φđm thì tốc độ không tải lý tưởng này lớn hơn Các động cơ một chiều kích từhỗn hợp thường có ω0 = ( 1,3 - 1,6 ) ωđm

Nhờ có cuộn kích từ nối tiếp nên mô men của động cơ lớn và đặc tính mềm Khả năngquá tải về mô men của động cơ một chiều kích từ hôn hợp ở mức trung gian giữa kích từđộc lập và kích từ nối tiếp

Để dựng đường đặc tính cơ điện và đặc tính cơ tự nhiên của động cơ một chiều kích từhôn hợp , người ta cũng dựa vào các đặc tính vạn năng đã cho của từng động cơ với tỷ số