Giáo trình Truyền động điện (Dùng cho hệ TCCN): Phần 1

Phần 1 Giáo trình Truyền động điện gồm nội dung các bài học: Các đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của động cơ điện, điều chỉnh tốc độ truyền động điện, điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Tham khảo nội dung giáo trình để nắm bắt nội dung chi tiết.

(Dùng cho hệ TCCN)

NĂM 2013-2014

Giáo trình Truyền động điện 1

Bài 1: CÁC ĐẶC TÍNH CƠ VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

­ Động cơ điện một chiểu kích từ độc lập

­ Động cơ điện một chiểu kích từ nối tiếp

­ Động cơ không đồng bộ

­ Động cơ đồng bộ

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Như trong chương 1 đã nêu, quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ:  = f(M) hoặc n = f(M)

Quan hệ giữa tốc độ và mômen của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy sản xuất c = f(Mc) hoặc nc = f(Mc)

Các đặc tính cơ trên có thể biểu diễn ở dạng hàm thuận hoặc hàm ngược, ví dụ

M = f() hay n = f(M)

Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ một chiều người ta còn sử dụng đặc tính cơ điện Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ:  = f(I) hoặc n = f(M)

Trong các biểu thức trên: ­ : Tốc độ góc, rad/s

­ n: Tốc độ quay, v/ph

­ M: Mômen, Nm Trong nhiều trường hợp để đơn giản trong tính toán hoặc dễ dàng so sánh, đánh giá chế độ làm việc của truyền động điện, người ta có thể dùng hệ đơn vị tương đối Muốn biểu diễn một đại lượng nào đó dưới dạng đơn vị tương đối ta lấy trị số của nó chia cho trị số cơ bản của đại lượng đó Các đại lượng cơ bản thường được chọn: Uđm, Iđm, đm, Mđm, đm, Rcb

Với đại lượng tương đối ta dùng ký hiệu “*” ví dụ điện áp tương đối là U*, mômen tương đối là M* M số thông số có thể tính được trong hệ đơn vị tương đối như sau:

Trường cao đẳng nghề Nam Định

­ Tốc độ cơ bản của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ hỗn hợp và tốc

độ không tải lý tưởng o, tốc độ của động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ là tốc độ đồng bộ 1 Còn đối với động cơ kích từ nối tiếp tốc độ cơ bản là đm

­ Trị số điện trở cơ bản là Rcb

Với các động cơ một chiều :

dm

dm cb

Trong đó: ­ E2nm: Sức điện động ngắn mạch của roto

­ I2đm: Dòng điện định mức ở mỗi pha roto Nếu mạch roto đấu tam giác thì điện trở định mức mỗi pha của roto là:

Giáo trình Truyền động điện 3

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ một chiều kích từ độc lập

1.2.2 Phương trình đặc tính cơ

1.2.2.1 Phương trình cân bằng điện áp

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2.1 và hình 2.2, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rôto) như sau:

Uư = Eư + (Rư + Rp).Iư (2.1) Trong đó: ­ Uư : Điện áp phần ứng động cơ, (V)

­ rư: Điện trở cuộn dây phần ứng

­ rct : Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp

­ rcb : Điện trở cuộn bù

­ rcp : Điện trở cuộn phụ

1.2.2.2 Phương trình đặc tính cơ điện, đặc tính cơ

Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto:

­ N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

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

­ : Tốc độ góc của động cơ (rad/s)

K =

a

pN



2 là hệ số kết cấu của động cơ

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

Và

55,960

Trường cao đẳng nghề Nam Định

Từ phương trình (2.1) và phương trình (2.2) ta có:

u f u

K

R R K

U





là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi: Mđt = K..Iu

K

R R K

R R K

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

Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 2.3 là những đường thẳng

Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:

R R

Giáo trình Truyền động điện 5

và M = KInm = Mnm

Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch

Mặt khác phương trình đặc tính cũng có thể được viết dưới dạng:

f

M K

R I

 được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

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

được gọi là điện trở cơ bản

Ta viết đặc tính cơ và đặc tính cơ điện ở đơn vị tương đối:

1.2.3 Ảnh hưởng của các thông số đối với đặc tính cơ

Phương trình đặc tính cơ (2.10) cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất  = f(M) phụ thuộc vào các hệ số của phương trình, trong đó có chứa các thông số điện Uư, RƯ

và  Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng thông số này Khi xét đến ảnh hưởng của các thông số người ta thường chỉ cho một thông

số biến thiên, còn các thông số khác giữ nguyên ở

giá trị định mức

a) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Ta xét đến ảnh hưởng của điện áp phần ứng

với các thông số như sau:

Trường cao đẳng nghề Nam Định

+ Tốc độ không tải:  var

dm

x ox



+ Mômen ngắn mạch: Mnm = KIư , mômen ngắn mạch giảm dần khi ta giảm điện áp phần ứng

Kết luận: Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng đặt vào động cơ ta được một họ

đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động

b) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Ta xét ảnh hưởng điện trở phần ứng với các thông số như sau:

+ Tốc độ không tải lý tưởng:

const K

dm

R R K dM

d d





Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ

càng dốc, ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên

u

dm TN

R f4

Giáo trình Truyền động điện 7

Kết luận: Như vậy khi thay đổi điện trở phụ R f ta có họ đặc tính biến trở có dạng như hình 2.4 Ứng với phụ tải M c nào đó, nếu R f càng lớn tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời điện trở ngắn mạch và mômen ngắn mạch càng giảm

Người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

c Ảnh hưởng của từ thông

Ta xét ảnh hưởng của từ thông với các thông số như sau:

số đặc tính cơ thay đổi như sau:

+ Tốc độ không tải:   var

x

đm ox

u

dm 

+ Mômen ngắn mạch: Mnm = KxInm=var

Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi

Kết luận: Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông

Nên khi từ thông giảm thì xo tăng, còn  sẽ giảm Ta có một họ đặc tính cơ với xo

tăng dần và độ cứng của đặc tính cơ giảm dần khi giảm từ thông

Với dạng mômen phụ tải M c thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên

Hình 2.6: Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐC một chiều kích từ độc lập

khi giảm từ thông

Trường cao đẳng nghề Nam Định

R I U K



Điểm thứ hai: Iư = Iđm,  = đm với

55 , 9

dm dm

R I U K

P M



b) Cách vẽ đặc tính cơ nhân tạo

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

vì vậy khi vẽ các đặc tính này chỉ cần xác định điểm thứ 2 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 ta có:

Giáo trình Truyền động điện 9

dm

u dm dm dmtn

K

R I U

K

R R I U

f u dm dm dmtn dmnt

R I U

R R I U

.

) (

Từ các số liệu đã biết trên ta vẽ được các đặc tính biến trở (hình 2.8)

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

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

Trường cao đẳng nghề Nam Định

d) 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 cần xem xét riêng từng loại đặc tính

Đặc tính cơ điện

Khi giảm từ thông tốc độ không tải lý

tưởng của động cơ tăng tỉ lệ với độ giảm từ

thông Còn dòng điện ngắn mạch Inm không

đổi Vì vậy khi vẽ đặc tính cơ điện ta cần xác

định hai điểm: Điểm không tải lý tưởng ứng

với giá trị suy giảm từ thông và điểm còn lại

Cách vẽ đặc tính cơ giảm từ thông cũng

tương tự như đặc tính cơ điện nhưng thay giá

trị Inm không đổi ở đặc tính cơ điện bằng giá

trị mômen ngắn mạch thay đổi

Giáo trình Truyền động điện 11

1.2.5 Khởi động và tính toán điện trở khởi động

1.2.5.1 Yêu cầu, sơ đồ và đặc điểm khi khởi động

a) Yêu cầu:

Nếu khởi động động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp đóng trực tiếp thì ban đầu tốc độ động cơ còn bằng 0 nên dòng khởi động ban đầu rất lớn (Inm = Uđm/R− ≈ 20­25Iđm)

Như vậy nó đốt nóng động cơ và gây sụt áp lưới điện Hoặc làm cho sự chuyển mạch khó khăn, hoặc mômen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động làm hệ truyền động bị giật, lắc, không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thể gây nguy hiểm như: gãy trục, vỡ bánh răng, đứt cáp, đứt xích

Tình trạng càng xấu hơn nếu như hệ TĐĐ thường xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thường xuyên như ở máy cán đảo chiều, cần trục, thang máy

Để đảm bảo an toàn cho máy tránh khỏi các nguy hiểm ở trên, thường chọn:

Mnm cũng nhỏ đi so với mômen cản Thông thường:

dm f

u

dm

R R

a

b c

e g

Trường cao đẳng nghề Nam Định

f u

dm

R R

K U

Quá trình khởi động của động cơ sẽ làm việc trên một loạt đặc tính 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 độ trên đặc tính tự nhiên và làm việc ổn định tại điểm A Tại

đó dòng điện động cơ bằng dòng tải (I = Ic)

1.2.5.2 Các phương pháp xác định điện trở khởi động

Muốn xác định trị số điện trở phụ khởi động có thể dùng các phương pháp sau:

a) Phương pháp đồ thị

* Các điều kiện ban đầu:

­ Cho động cơ và các thông số động cơ

­ Dựa vào yêu cầu khởi động

­ Biết rằng khi làm việc động cơ tồn tại hai loại quán tính là quán tính cơ học và quán tính điện

* Các bước xác định điện trở khởi động

­ Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên

­ Chọn hai giới hạn chuyển dòng điện khởi động động cơ

I1  22,5 Iđm; I2  1,11,3 Iđm

­ Lấy giá trị I1, I2 trên trục hoành, từ I1, I2 kẻ hai đường dóng song song với trục tung cắt đường đặc tính tự nhiên tại a và b, nối o với h (I1) ta được đặc tính khởi động đầu tiên Đặc tính này cắt đường dóng I2 tại g Tại g ta cắt bớt điện trở phụ Do quán tính điện vô cùng nhỏ, và quán tính cơ lớn nên điểm làm việc chuyển sang điểm

f (f là giao điểm của đường đường song song với trục hoành cắt đường dóng I1) Nối

o 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 điều kiện này không thỏa mãn ta phải chọn lại I1,I2 rồi vẽ lại cho đến khi đạt được Ngoài ra đặc tính khởi động còn phải đảm bảo số cấp khởi động yêu cầu

­ Xác định giá trị của các điện trở khởi động:

Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ  trên các đặc tính đã vẽ ứng với một dòng điện, ví dụ I1:

1

I K

Giáo trình Truyền động điện 13

TN NT

ib

bd R ib

ib id

Tương tự như vậy:

u u

ib

df R ib

id if

R 2   ; f u R u

ib

fh R ib

if ih

R 3  

b) Phương pháp giải tích

* Các điều kiện ban đầu:

­ Cho động cơ và các thông số động cơ

­ Cho số cấp điện trở phụ

­ Dựa vào yêu cầu khởi động

­ Biết rằng khi làm việc động cơ tồn tại hai loại quán tính là quán tính cơ học và quán tính điện

* Các bước xác định điện trở khởi động

­ Xác định bội số dòng điện khởi động 

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

R

E U

Tại điểm f:

1 1

R

E U

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

Trường cao đẳng nghề Nam Định

1 2 1

Tương tự với các cấp tiếp theo ta được:

m

R

R R

R R

R I

2 1 1

­

m

IR

UR

R

1 1

11

IRlglg

R

Rlgm

11

Giáo trình Truyền động điện 15

+ Chọn giới hạn dòng điện khởi động I1 là dòng lớn nhất cho phép:

I1 = 2,5Iđm và tính Rm = Uđm/(2,5Iđm)

+ Tính  theo biểu thức (2.38 c)

+ Xác định các trị số điện trở khởi động theo biểu thức (2.38 e).: Rf1, Rf2,

­ 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

+ Xác định  từ (2.38 b) hoặc (2.38 c) bằng cách thay I1 = I2

1 2

+ Xác định trị số các điện trở khởi động theo biểu thức (2.38 e)

- Khi cần xác định số cấp khởi động m và trị số các điện trở khởi động theo các điều kiện khởi động cho trước

+ Dựa vào các yêu cầu của truyền động và yêu cầu khởi động chọn các giá trị I1,

I2, M1, M2

+ Tính  dựa vào biểu thức (238b)

+ Tính số cấp khởi động m theo (2.38d) Nếu m không phải là số nguyên thì chọn lại I1, M1 hoặc I2, M2 rồi tính lại

cho đến khi m là số nguyên

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

1.2.6.1 Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về lưới)

Trường cao đẳng nghề Nam Định

Khi hãm tái sinh Eư > Uư So với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức:

R

E U

khi cân bằng với mômen phụ tải của

cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc

ổn định với ôđ > o

Vì sơ đồ đấu dây của mạch động

cơ vẫn không thay đổi nên phương

trình đặc tính cơ tương tự như 2.7,

nhưng mômen có giá trị âm

Đường đặc tính cơ ở trạng thái

hãm tái sinh nằm trong góc phần tư

thứ 2, và thứ tư của mặt phẳng tọa 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 = (E­U).I Đây là phương pháp hãm tái sinh kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích

Trong thực tế cơ cấu nâng hạ của cầu trục, khi nâng động cơ được đấu vào nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ nhất Khi muốn hạ tải ta phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ Lúc này nếu mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển động của cơ cấu, động cơ điện sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh Khi hạ tải để hạn chế dòng điện khởi động ta đóng thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng Tốc độ động

cơ tăng dần lên, khi tốc độ gần đạt đến giá trị o ta cắt điện trở phụ, động cơ tăng tốc

độ trên đường đặc tính tự nhiên Khi tốc độ vượt quá tốc độ không tải lý tưởng omômen điện từ của động cơ đổi dấu trở thành mômen hãm đến điểm A mômen Mh =

Mc , tải trọng được hạ với tốc độ ổn định ôđ trong trạng thái hãm tái sinh

b) Kết luận:

Năng lượng được trả lại lưới điện, động cơ lúc này làm việc như một máy phát Hãm tái sinh xảy ra trong hai trường hợp:

­ Tại các cần trục, máy nâng khi hạ tải trọng nặng

­ Ở các hệ truyền động điều chỉnh khi giảm điện áp nguồn Uư, nghĩa là giảm đột ngột tốc độ không tải lý tưởng o khi tốc độ  chưa kịp giảm

Giáo trình Truyền động điện 17

1.2.6.2 Hãm ngược

a) Định nghĩa:

Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi

phần ứng dưới tác dụng của động năng tích lũy

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 chuyển động của cơ cấu sản xuất

Có hai trường hợp hãm ngược:

b) Đưa điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần

ứng với tải M c hằng số mang tính chất 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 trên động cơ giảm tốc

độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên Đến điểm c tốc độ động cơ 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

ôđ, cd là đoạn đặc tính hãm ngược Khi hãm ngược thì tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên:

u u

h

R R

K U R R

E U

; M = KIh

Vì sơ đồ nối dây của động cơ không thay đổi, nên phương trình đặc tính cơ là phương trình đặc tính biến trở

c) Đảo chiều điện áp phần ứng

Giả sử động cơ làm việc tại điểm a trên đặc tính cơ tự nhiên với tải Mc ta đảo chiều điện áp phần ứng và đưa thêm vào điện trở phụ Rf trong mạch Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm b trên đặc tính biến trở Tại b mômen đã đổi chiều quay chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc Tại c tốc độ bằng 0, nếu ta cắt phần ứng khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c, M > Mc thì động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d Đoạn bc là đặc tính hãm ngược

Trường cao đẳng nghề Nam Định

Dòng điện hãm được tính:

f u u f

u

u u h

R R

E U R

R

E U I

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

Ihđ  22,5 Iđm

Và phương trình đặc tính cơ có dạng:

M K

R R K

a) Định nghĩa: Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát

mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích lũy trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

Có hai loại hãm động năng:

R H

Giáo trình Truyền động điện 19

kích từ vẫn nối với nguồn như cũ Mạch điện động cơ khi hãm động năng được trình bày trên hình

Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị hđ nên Ehđ = Khđ

Và dòng điện hãm ban đầu:

h u hd h

u

hd hd

R R

K R

Tương ứng có mômen hãm ban đầu: M hđ = KI hđ < 0 (2­42)

Biểu thức (2­41) và (2­42) chứng tỏ I hđ, M hđ ngược chiều với tốc độ ban đầu của động cơ khi hãm động năng Uư = 0 nên ta có phương trình đặc tính sau:

u h

K

R R



M K

R

Ru f

2

) ( 

thì động cơ sẽ dừng hẳn, đặc tính hãm động năng là đoạn o 1 b hoặc o 2 b Với mômen

tải Mc là thế năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại

Hình 2.18 Sơ đồ đấu dây (a) và đặc tính hãm động năng kích từ độc lập (b) của

Trường cao đẳng nghề Nam Định

đến làm việc ổn định tại điểm M = Mc Đoạn b 1 c hoặc b 2 c cũng là đặc tính hãm động

Từ sơ đồ nguyên lý ta có:

h kt

h kt u h kt

h kt u

u

R R

R R R K R

R

R R R

E I

Giỏo trỡnh Truyền động điện 21

Và cỏc phương trỡnh đặc tớnh là: kt h u

h kt u

I K

R R

R R R

R R R

h kt

h kt u

d) Kết luận:

So với phương phỏp hóm ngược, hàm động năng cú hiệu quả kộm hơn khi chỳng

cú cựng tốc độ ban đầu và cựng mụmen cản Mc Tuy nhiờn hóm động năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt là hóm động năng tự kớch vỡ khụng tiờu thụ năng lượng từ lưới, nờn phương phỏp này cú khả năng hóm khi cú sự cố mất điện lưới

1.3 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

1.3.1 Sơ đồ và phương trỡnh đặc tớnh cơ điện, đặc tớnh cơ

Đặc điểm của động cơ một chiều kớch từ nối tiếp là cuộn kớch từ mắc nối tiếp với cuộn dõy phần ứng, nờn cuộn kớch từ cú tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vũng ớt, chế tạo

K

R K

Hình 2.19 Sơ đồ đấu dây (a) và đặc tính hãm động năng tự kích (b) của ĐC điện một chiều kích từ độc lập

Trường cao đẳng nghề Nam Định

M K

R K

U u u

2)( 

Nếu phản ứng phần ứng được bù đủ:  = C.Iư (2.55)

Thế vào phương trình (2­53) ta nhận được:

B I

A C K

R I

.

Trong đó đặt A1 =

C K

U u

. ; B =

C K

R

.

Ta cũng có: Iư =

C K

M

Thay (2­57) vào (2­56) ta được:

B M

A B M

C K

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, các tổn thất phụ và động cơ có từ dư:

NT (R f  0)



M

0

TN (R f = 0)

NT (R f  0)

Giáo trình Truyền động điện 23

dư = (210)’đm nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có giá trị là:

­ Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở phần 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 có ưu điểm đó mà động cơ một chiều kích từ nối tiếp rất thích hợp với 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

1.3.2 Cách dựng đặc tính cơ điện, đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo

Do quan hệ  = f(Iư) là phi tuyến nên

để vẽ các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ

của động cơ 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 hòa từ

không khác nhau nhiều nên các quan hệ

giữa tốc độ , mômen M với dòng điện I

theo đơn vị tương đối gần như trùng nhau

Người ta gọi các quan hệ *=f(I*),

2,4

* M*

2,0 1,6 1,2 0,8 0,4

Trường cao đẳng nghề Nam Định

M*=f(J*) là các đặc tính vạn năng và được xác định bằng thực nghiệm

a) Phương pháp vẽ đặc tính tự nhiên từ các đặc tính vạn năng

Với mỗi động cơ một chiều kích từ nối tiếp ta biết các trị số của Pđm, Iđm, đm muốn vẽ đặc tính tự nhiên ta tiến hành như sau:

Lấy các giá trị tùy 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 đối 1*,

2*, n* Và M1*,M2*, Mn* Tính đổi các đại lượng tương đối ra đại lượng tuyệt đối theo biểu thức:

I= I*.Iđm; M= M*.Mđm; = *.đm

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

=f(I) và đặc tính cơ tự nhiên =f(M) như trên hình 2.24

Bảng 2.1

b) Phương pháp vẽ đặc tính biến trở

Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta có:

u u u

K

R K

K

R R K

Giáo trình Truyền động điện 25

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

) ) (

(

u u u

f u u u TN

NT

R I U

R R I U

Từ (2.59) và ứng với các giá trị I1, I2, In ta tính được TN1, TN2, TNn với Rf

đã biết và ghi kết quả tính vào bảng tính 2.1 Căn cứ vào các số liệu này ta vẽ được đường đặc tính cơ điện nhân tạo

1.3.3 Khởi động và tính điện trở khởi động

Tương tự như trường hợp động cơ một chiều kích từ độc lập, để hạn chế dòng điện khởi động ta cũng đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng Sơ đồ nguyên lý

và đặc tính động cơ được biểu diễn trên hình

Để xác định các cấp điện trở khởi động ta có thể tuyến tính hóa đoạn đặc tính khởi động

Giả sử đã vẽ được đồ thị các đặc tính khởi động theo điều kiện đặt ra tương tự như với động cơ một chiều kích từ độc lập Ứng với hai giá trị I1 và I2 trên mỗi đặc

tính khởi động ta kẻ các đường thẳng ab, cd, ef, gh Chúng sẽ đồng quy tại điểm X

Điều đó được chứng minh như sau:

Xét với giá trị dòng điện I1 trên đặc tính cơ điện tự nhiên sẽ có tốc độ:

u u dm

K

R K

Trường cao đẳng nghề Nam Định

1 1

)(





K

R R I

R f

NT

1 1 1

R f

NT

2 2 2

df

B

A cg

­ Dựa vào các thông số của động cơ và đặc tính vạn năng và vẽ ra đặc tính cơ điện tự nhiên

­ Chọn dòng điện giới hạn I1  (22,5)Iđm và tính điện trở tổng của mạch phần ứng khi khởi động

1

I

U

­ Chọn dòng điện chuyển khi khởi động: I2  (1,11,3)Iđm

Dóng I2 lên đặc tính cơ tự nhiên có giá trị TN2(a) từ đó xác định giảm (g) trên đặc tính khởi động ứng với giá trị dòng I2:

u dm

dm TN

NT

R I U

R I U

2

2 2

­ Từ X dựng đường đặc tính khởi động hình tia thỏa mãn điều kiện:

+ Đảm bảo đúng số cấp khởi động đã yêu cầu

+ Từ điểm c kẻ đường song song với trục hoành phải cắt các đặc tính tự nhiên đúng ở điểm b

Giáo trình Truyền động điện 27

Nếu không thỏa mãn điều kiện trên ta phải chọn lại giá trị I1,I2 để xây dựng lại đặc tính khởi động

Phương pháp hãm ngược và hãm động năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp cũng giống như ở động cơ một chiều kích từ độc lập

dm

h

R R

K U

Đặc tính cơ hãm ngược với Rf trong

mạch được trình bày trên hình 2.26

b) Hãm ngược bằng đảo chiều điện

áp đặt vào phần ứng

Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi hãm được biểu diễn trên hình 2.27 Chú ý rằng khi thực hiện hãm, chiều dòng điện kích từ cần giữ nguyên Người ta thường sử dụng trạng thái hãm này để hãm máy

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

f u

dm

h

R R

K U

d

Trường cao đẳng nghề Nam Định

Phương trình đặc tính cơ là:

M K

R R K

U dm u f

2)( 

M K

R R

dm

f u

u

bd dm

R R

bd dm

M c

d

Giáo trình Truyền động điện 29

b) 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 ra khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm nhưng dòng kích từ vãn giữ nguyên chiều cũ

Phương trình đặc tính cơ khi hãm là:

M K

R

R u h

2)

( 

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

1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

(b)

 h®

 «®

Trường cao đẳng nghề Nam Định

­ Điện áp lưới hoàn toàn hình sin và 3 pha của động cơ là đối xứng

­ Điện trở dây quấn rôto và stato coi như không đổi trong quá trình làm việc lâu dài của động cơ ở 75oC

­ Mạch từ chưa bão hoà nên coi điện kháng stato và điện kháng rôto quy đổi về phía stator không thay đổi

­ Điện trở mạch từ hoá và điện

kháng mạch từ hoá coi như không đổi,

dòng điện từ hoá I không phụ thuộc vào

phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt

vào stator của động cơ

­ Bỏ qua tổn thất do ma sát, tổn thất

trong lõi thép

Từ các giả thiết trên ta đưa ra sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ 3 pha bằng sơ đồ thay thế 1 pha (các pha khác tương tự)

Uf: Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato

I, I1, I’2: Dòng điện từ hoá, dòng stato, dòng rô to quy đổi về stato

X, X1, X’2: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng Stato, điện kháng rô to quy đổi về stato

R, R1, R’2: Điện trở tác dụng của mạch từ hoá, điện trở cuộn dây statovà của

rô to đã quy đổi về stato

s: độ trượt của động cơ:

Với: f1: tần số điện áp nguồn đặt vào stato

p: số đôi cực của động cơ

: tốc độ góc của động cơ

a Đặc tính dòng điện rôto của động cơ

2 ' 2 1 2 ' 2 1

' 2

) (

)

s

R R

' 2

)

f

X s

R R

U I

Giáo trình Truyền động điện 31

2 2 2 ' 2 1

Với I’2nm là dòng điện ngắn mạch của roto

b.Đặc tính cơ của động cơ

Để tìm phương trình đặc tính cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ

­ Công suất điện từ chuyển từ stato sang rô to: P12 = Mđt1

Mđt : mô men điện từ của động cơ

­ Công suất đưa ra trục động cơ: Pcơ = Mcơ.

Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì: Mđt = Mcơ =M

P2: công suất tổn thất đồng trong rôto

.

3

1

' 2 2 ' 2

 (2.71) Thay giá trị I’2 đã tính được ở trên vào (2.71) và biến đổi ta có:

] )

[(

3

2 2 ' 2 1 1

' 2 2 1

nm

f

X s

R R s

R U M

mô men và độ trượt tới hạn ký hiệu là Mth,

sth

2 2 1

' 2

nm

th

X R

R s

Trường cao đẳng nghề Nam Định

) (

2

3

2 2 1 1 1

2 1

nm

f th

X R R

U M

Trong các biểu thức trên dấu “+” ứng với trạng

thái động cơ còn dấu (­) ứng với trạng thái máy

phát

Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động sử dụng

động cơ KĐB người ta quan tâm nhiều đến trạng

thái làm việc của động cơ nên đường đặc tính cơ lúc

này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0  s 

sth

Phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB có

thể biểu diễn thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số

giữa M và Mth Biến đổi ta được phương trình đặc

tính cơ dạng:

M =

th th

th

th th

s s

s s

s

s M

2

) 1 ( 2

M2

th th

2 1 f

X2

U3ω

Nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách tuyến tính hoá các đặc tính trong đoạn làm việc

Ví dụ ở vùng có độ trượt s << sth, tỷ số s/sth rất nhỏ, gần đúng coi s/sth = 0 Lúc này đặc tính cơ ở dạng đơn giản: M = 2Mths/sth

Nó chính là tiếp tuyến với đường đặc tính cơ tại điểm đồng bộ 1 Đường (1) trên hình vẽ Cũng có thể tuyến tính hoá đoạn làm việc qua điểm định mức như đường (2) Phương trình gần đúng là: M = sMđm/sđm

Từ dạng đặc tính cơ trên ta thấy độ cứng đặc tính cơ biến đổi cả về trị số

và dấu tuỳ theo điểm làm việc

NT (R f 0)

(2) (1)

Hình 2.33 Đặc tính cơ ĐC KĐB

 = f(M) trong chế độ động cơ

Giáo trình Truyền động điện 33

 =

ωΔ

ΔM

=

ωΔ

ΔΔ

sM

Với đặc tính tuyến tính hóa (đường 1 trên hình):

s

MΔ

Δ

= th

th

s

M2

;

ωΔ

Δs

= ­ 1

1ω

 có giá trị âm và gần như không đổi

Khi s >>sth bỏ qua sth/s, phương trình đặc tính cơ trở thành:

M =

s

sM

1

th th

s

sM2ω

Trong đoạn này  dương, có giá trị biến đổi

1.4.2 Ảnh hưởng của các thông số tới đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ KĐB

] )

[(

3

2 2 ' 2 1 1

' 2 2 1

nm

f

X s

R R s

R U M









Ta thấy có các thông số sau ảnh hưởng đến đặc tính cơ:

­ Điện trở, điện kháng mạch stato R1, X1

­ Điện trở mạch rô to (nối thêm điện trở phụ R’2f vào rô to với động cơ KĐB rô

to dây quấn)

­ Điện áp lưới cấp cho động cơ

­ Tần số của lưới điện

­ Số đôi cực P

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của thông số nào

đó đến đặc tính cơ ta coi các tham số còn lại là

không đổi

a Ảnh hưởng của điện áp lưới tới đặc tính

cơ

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







KĐB khi giảm điện áp

Trường cao đẳng nghề Nam Định

Ta có dạng đặc tính cơ khi giảm điện áp lưới trên hình vẽ

Đặc tính này phù hợp với tải là bơm và quạt gió, không thích hợp cho tải là hằng số

Khi thay đổi điện áp đặt vào stato thì ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ và có thể hạn chế dòng điện khởi động

a Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch stato

2 2 1 1

' 2

)

th

X R

R

R s





2 1 2

1

' 2

)

th

X X R

R s







) )

) (

2

3

2 2 1 1 1

1 1

2 1

nm f

f

f th

X R

R R

R

U M

Giáo trình Truyền động điện 35

Nếu X1f = R1f ta thấy đặc tính đối với X1f tốt hơn vì độ cứng đặc tính cơ khi đưa điện kháng phụ lớn hơn độ cứng đặc tính khi đưa điện trở phụ vào mạch stator vì tổn thất trên điện trở phụ nhiều hơn nên trên thực tế

người ta thường đưa thêm điện kháng phụ vào mạch

stator

c Ảnh hưởng của số đôi cực p

Với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc

nhiều cấp tốc độ để điều chỉnh tốc độ của nó người

ta thay đổi số đôi cực ở mạch stator bằng cãch thay

đổi cách đấu dây ở stato

' 2

nm

th

X R

R s



) (

2

3

2 2 1 1 1

2 1

nm

f th

X R R

U M

d Ảnh hưởng của tần số lưới điện f 1

Nếu cung cấp cho động cơ bởi nguồn điện có tần số thay đổi thì tốc độ của

động cơ sẽ thay đổi và dạng của đặc tính cơ cũng

' 2

nm

th

X R

R s



Với động cơ công suất lớn R1  0 nên

1 1

' 2 '

2

2

.

f

A f L

P R X

R

s

nm nm



) (

2

3

2 2 1 1 1

2 1

nm

f th

X R R

U M

2

1 2 2

1

2

8

3 1 8

3

p f

L

p U X

U

nm nm

f nm

f th

Trường cao đẳng nghề Nam Định

e Ảnh hưởng của điện trở mạch rô to

Đối với động cơ KĐB rô to dây quấn người ta thường mắc thêm điện trở phụ vào mạch rô to để hạn chế dòng khởi động hoặc để điều chỉnh tốc độ động cơ

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Khi đưa R2f vào thì Sth, Mth, 1:

2 2 1

' 2 ' 2

nm

f th

X R

R R

2

3

2 2 1 1 1

2 1

nm

f th

X R R

U M

' 2

)

f

X s

R R

U I

' 2

)

f

X R R

U I

Trong một phạm vi nhất định việc tăng Rf sẽ làm Mkđ tăng lên còn sau đó Mkđ

sẽ giảm Vì thế phải căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm của phụ tải mà chọn trị số R2f cho phù hợp

1.4.3.Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ biến trở

Giỏo trỡnh Truyền động điện 37

Đặc tớnh cơ là đường cong phức tạp nờn ta phải xỏc định nhiều điểm toạ độ (M,

)

Từ phương trỡnh đặc tớnh cơ: M =

th th

th

th th

s s

s s s

s M

2

) 1 ( 2

Trong trương hợp khụng biết một vài thụng số như R1, X1, R’2, X’2, R’2nm, I’2đm ta cũng cú thể dựng cụng thức gần đỳng:

Mth = MMđm; Mkđ = MkđMđmViệc xỏc định  và sth cú thể tiến hành giải phương trỡnh đặc tớnh cơ tại hai điểm cụ thể đó xỏc định là điểm định mức và điểm khởi động:

ư Tại điểm định mức: Mđm =

th dm

th th dm

th th

s s

s s s

s M

2

) 1 ( 2

th th dm

th th

s s

s s s

s M

2

) 1 ( 2

sau đú thay Mth, sth,  vào phương trỡnh đặc tớnh cơ để tớnh như đó nờu ở trờn

b Đặc tính cơ biến trở (đối với động cơ KĐB rô to dây quấn)

* Dựng đường đặc tớnh cơ biến trở khi biết đầy đủ cỏc thụng số:

thNT NT thNT

thNT

thNT NT th

s s

s s s

s M

2

) 1 ( 2

f

R R

R

 ; sthNT =

2 2 1

' 2 2 '

nm

f

X R

R R





Thế NT và sthNT vào M rồi cho s biến thiờn từ 0 đến 2 ta dựng đường đặc tớnh

cơ nhõn tạo

* Dựng đường đặc tớnh biến trở dựa vào đặc tớnh tự nhiờn:

Bước 1: Dựng đường đặc tớnh cơ tự nhiờn

Bước 2 : Dựng đường đặc tớnh cơ nhõn tạo

Trường cao đẳng nghề Nam Định

Tại A: Mc =

thTN TN TN

thTN thTN TN

thNT NT th

s s

s s s

s M

.2

).1(2

thNT thNT NT

thNT NT th

s s

s s s

s M

2

) 1 ( 2

nm

X R

nm

X R

NT TN

s s

TN

s

s s

s

2

' 2 ' 2

R

R R s

R

R R s

R

R R s

Như vậy ứng với mỗi giá trị của mômen cản Mc trên đặc tính cơ tự nhiên ta xác định được snt thông qua biểu thức (*) Nối các điểm lại với nhau ta được đường đặc tính biến trở

1.4.4 Khởi động và xác định điện trở khởi động

Đối với động cơ KĐB rô to dây quấn để hạn chế dòng điện khởi động, tăng mô men khởi động, người ta đưa thêm vào mạch rô to điện trở phụ trong quá trình khởi động Về nguyên tắc có thể có m cấp do vậy trong quá trình khởi động người ta phải loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp

Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được biểu diễn trên hình vẽ

Để xác định trị số các cấp điện trở khởi động, ta sử dụng sơ đồ hình tia là các đặc tính đã được tuyến tính hóa trong đoạn khởi động

Giáo trình Truyền động điện 39

Quá trình tính toán điện trở khởi động như sau:

Bước 1: Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên

Bước 2: Chọn các trị số của mô men M1  0,85Mth, M2  (1,11,3)Mđm

Từ M1, M2 dóng song song với trục tung cắt đặc tính tự nhiên tại a và b Đường thẳng ab cắt đường thẳng song song với trục hoành đi qua 1 tại N Lấy N làm điểm đồng quy xuất phát của các đặc tính khởi động

Bước 3: Từ N kẻ các đường đặc tính biến trở khởi động phải thoả mãn 2 điều kiện:

+ Đường đặc tính biến trỏ cuối cùng cắt trục hoành tại M1

+ Đoạn bc song song với trục hoành

Nếu không thoả mãn 2 điều kiện trên ta phải chọn lại M1, M2

Bước 4: Xác định trị số các cấp điện trở khởi động

Hình2.40 Khởi động ĐC KĐB rô to dây quấn bằng cách đưa R f vào mạch rôto

(a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Các đặc tính cơ khởi động