Giáo trình Truyền động điện CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

(NB) Giáo trình được trình bày với 11 bài, đi từ lý thuyết cơ sở đến thực hành những kiến thức cơ bản. Đặc biệt trong nội dung giáo trình đã giới thiệu được những nội dung thực hành cơ bản của lĩnh vực truyền động điện, đi từ các truyền động điện hệ hở tới truyền động điện hệ kín. Giới thiệu cơ bản về các bộ biến đổi AC, DC bán dẫn thế hệ mới, kết hợp với các động cơ cho những hệ thống truyền động điện hiện đại.

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Chủ biên: Bùi Chính Minh Đồng tác giả: Nguyễn Đức Đài

GIÁO TRÌNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Hà Nội - 2011

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình Truyền động điện được biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy và học tập của Giảng viên, Sinh viên trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Nội dung giáo trình được phát triển dựa trên chương trình đào tạo mô đun Truyền động điện, nghề Điện công nghiệp do Tổng cục Dạy nghề ban hành và đưa vào giảng dạy tại trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội năm học 2012­

2013 Nội dung giáo trình mang tính lôgic về kiến thức của toàn bộ chương trình đào tạo, đồng thời hướng tới mục tiêu hình thành và phát triển năng lực thực hiện hoạt động nghề nghiệp cho người học Dạy học tích hợp được lựa chọn trong giáo trình nhằm tạo ra các tình huống liên kết tri thức các môn học, đó là cơ hội phát triển các năng lực của sinh viên Khi xây dựng các tình huống vận dụng kiến thức người học sẽ phát huy được năng lực tự lực, phát triển tư duy sáng tạo (kiến thức, kỹ năng, và thái độ nghề nghiệp) Giáo trình được trình bày với 11 bài, đi từ

lý thuyết cơ sở đến thực hành những kiến thức cơ bản Đặc biệt trong nội dung giáo trình đã giới thiệu được những nội dung thực hành cơ bản của lĩnh vực truyền động điện, đi từ các truyền động điện hệ hở tới truyền động điện hệ kín Giới thiệu cơ bản về các bộ biến đổi AC, DC bán dẫn thế hệ mới, kết hợp với các động cơ cho những hệ thống truyền động điện hiện đại

Mặc dù nhóm biên soạn đã cố gắng phát triển giáo trình sao cho phù hợp và hiệu quả nhất với sinh viên cao đẳng nghề Điện công nghiệp, nhưng chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót

Chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình hoàn thiện hơn Mọi ý kiến xin được gửi về: Trường cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội, 131 Thái Thịnh, Đống Đa, Hà Nội

NHÓM TÁC GIẢ

Hà Nội, ngày tháng năm

Tham gia biên soạn giáo trình

1 Bùi Chính Minh – Chủ biên

2 Nguyễn Đức Đài

Tuyên bố bản quyền

Tài liệu này là loại giáo trình nội bộ dùng trong nhà trường với mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên và học sinh, sinh viên nên các nguồn thông tin có thể được tham khảo

Tài liệu phải do trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội in ấn

và phát hành

Việc sử dụng tài liệu này với mục đích thương mại hoặc khác với mục đích trên đều bị nghiêm cấm và bị coi là vi phạm bản quyền

Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm

ơn các thông tin giúp cho nhà trường bảo vệ bản quyền của mình

Địa chỉ liên hệ:

Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội

131 – Thái Thịnh – Đống Đa – Hà Nội Điện thoại: (84­4) 38532033 Fax: (84­4) 38533523 Website: www.hnivc.edu.vn

MỤC LỤC

Mục tiêu của mô đun……… 8

Nội dung của mô đun……… 8

Yêu cầu về đánh giá hoàn thành mô đun……… 10

BÀI 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN……… 10

1 Cấu trúc chung của hệ thống TĐĐ……… 10

1.1 Định nghĩa hệ TĐĐ……… 10

1.2 Phân loại hệ TĐĐ……… 11

1.3 Phương trình chuyển động……… 11

1.4 Mômen cản phản kháng……… 13

1.5 Mômen cản thế năng……… 13

2 Cơ học truyền động điện……… 13

2.1 Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính toán qui đổi các đại lượng về trục động cơ……… 13

2.2 Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ……… 15

2.3 Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện……… 18

BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN……… 22

1 Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm…… 22

1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập……… 13

1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp…… 40

2 Đặc tính của động cơ điện không đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm……… 46

2.1 Các đặc tính……… 46

2.2 Ảnh hưởng của các thông số tới đặc tính cơ……… 49

2.3 Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ biến trở……… 52

2.4 Khởi động và xác định điện trở khởi động……… 53

2.5 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm……… 54

3 Đặc tính của động cơ điện đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm……… 57

BÀI 3: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TĐĐ ­ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ CỦA HỆ TĐĐ­ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA HỆ TĐĐ……… 62

1 Điều khiển tốc độ TĐĐ……… 62

1.1 Khái niệm về điều chỉnh tốc độ hệ truyền động điện; tốc độ đặt; chỉ tiêu chất lượng của hệ TĐĐ……… 62

1.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh sơ đồ mạch…… 65

1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh thông số của động cơ 68

1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp nguồn… 74

1.5 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi thông số nguồn……… 91

1.6 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ nối tầng (cascade)……… 98

2 Ổn định tốc độ làm việc của hệ TĐĐ……… 100

2.1 Khái niệm về ổn định tốc độ; độ chính xác duy trì tốc độ……… 100

2.2 Hệ truyền động vòng kín ……… 101

2.3 Hạn chế dòng điện trong truyền động điện tự động……… 104

3 Đặc tính động của hệ truyền động điện……… 108

3.1 Đặc tính động của truyền động điện……… 108

3.2 Quá độ cơ học; quá độ điện ­ cơ trong hệ truyền động điện…… 110

3.3 Khởi động hệ truyền động điện, thời gian mở máy……… 113

3.4 Hãm hệ truyền động điện, thời gian hãm; dừng máy chính xác… 115 BÀI 4: CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN……… 118

1 Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát nhiệt………

118 1.1 Phương trình phát nóng và nguội lạnh của máy điện……… 118

1.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện trong hệ truyền động điện 120

2 Chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ… 121 2.1 Chọn công suất động cơ làm việc cho tải dài hạn……… 121

2.2 Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn……… 122

2.3 Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại……… 123

3 Tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ… 124 4 Kiểm nghiệm công suất động cơ……… 126

4.1 Kiểm nghiệm phát nóng động cơ bằng phương pháp tổn thất trung bình……… 126

4.2 Kiểm nghiệm phát nóng động cơ theo đại lượng dòng điện đẳng trị……… 127

BÀI 5: TỰ ĐỘNG KHỐNG CHẾ TĐĐ – MỘT SỐ THIẾT BỊ TRONG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TĐĐ……… 130

1 Tự động khống chế TĐĐ……… 130

1.1 Khái quát chung về điều khiển tự động truyền động điện…… 130

1.2 Các nguyên tắc điều khiển tự động truyền động điện……… 137

2 Một số thiết bị dùng trong điều khiển tự động TĐĐ……… 165

2.1 Bộ khởi động mềm……… 165

2.2 Bộ biến tần ……… 173

2.3 Bộ điều khiển máy điện servo……… 186

2.4 Bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều……… 192

BÀI 6: THỰC HÀNH NHẬN DẠNG CÁC KHÂU CƠ KHÍ CƠ BẢN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ TÍNH TOÁN MÔMEN CẢN, LỰC CẢN VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ ĐIỆN……… 203

1 Nhận dạng đông cơ điện và máy phát điện……… 203

2 Nhận dạng các bộ biến đổi……… 204

3 Nhận dạng các cơ cấu truyền động……… 204

4 Nhận dạng các máy sản xuất……… 208

5 Tính toán, qui đổi các đại lượng cơ khí về trục động cơ……… 209

BÀI 7: THỰC HÀNH TÌM HIỂU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI TRẠNG THÁI KHỞI ĐỘNG VÀ HÃM……… 210

1 Đặc tính trạng thái khởi động và hãm của động cơ điện DC………… 210

1.1 Đặc tính cơ……… 210

1.2 Khảo sát chế độ khởi động và hãm……… 212

2 Đặc tính trạng thái khởi động và hãm của động cơ điện không đồng

bộ……… 212

2.1 Đặc tính cơ……… 212

2.2 Khảo sát chế độ khởi động và hãm……… 213

3 Đặc tính trạng thái khởi động và hãm của động cơ điện đồng bộ…… 214

3.1 Đặc tính cơ……… 214

3.2 Khởi động và hãm……… 214

BÀI 8: THỰC HÀNH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ……… 216

1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ theo sơ đồ mạch……… 216

2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi thông số nguồn……… 216

2.1 Hệ truyền động một chiều……… 216

2.2 Hệ truyền động xoay chiều……… 217

3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi thông số của động cơ………… 217

BÀI 9: THỰC HÀNH ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN……… 220

1 Hệ truyền động vòng kín……… 220

2 Hạn chế dòng điện trong truyền động điện tự động……… 220

BÀI 10: THỰC HÀNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ……… 223

1 Tính chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ……… 223

2 Kiêm nghiệm công suất động cơ……… 223

BÀI 11: THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI……… 226

1 Hệ truyền động có bộ khởi động mềm – động cơ không đồng bộ…… 226

2 Hệ truyền động Biến tần – động cơ KĐB……… 226

3 Hệ truyền động Servor……… 226

4­ Hệ truyền động chỉnh lưu có điều khiển ­ động cơ một chiều……… 226

Tài liệu tham khảo……… 230

TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG GIÁO TRÌNH

Dòng điện xoay chiều (Anternating Curren) AC

Dòng điện một chiều (Direct current) DC

Hệ truyền động Thyristor – động cơ một chiều T­Đ

Hệ truyền động Xung điện áp­ động cơ XĐA­Đ

MÔ ĐUN: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

­ Đánh giá đặc tính của hệ điều khiển truyền động điện;

­ Tính chọn động cơ điện cho hệ truyền động không điều chỉnh;

­ Phân tích cấu tạo, nguyên lý của một số thiết bị điển hình như: soft stater, inverter, các bộ biến đổi;

­ Lựa chọn các bộ biến đổi phù hợp với yêu cầu hệ truyền động

Kỹ năng:

­ Phân tích, tính chọn, lắp ráp và vận hành được các hệ truyền động điện

Thái độ:

­ Rèn luyện tính tỉ mỉ, cẩn thận, tác phong công nghiệp cho sinh viên

Nội dung của mô đun

Số

TT

Tên các bài trong mô đun

Thời gian Tổng

số

Lý thuyết

Thực hành

Kiểm tra*

cho hệ truyền động điện

tính của động cơ DC và động cơ

không đồng bộ với trạng thái khởi

động cơ điện bằng các bộ biến đổi

* Ghi chú: Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành và

được tính bằng giờ thực hành

Yêu cầu về đánh giá hoàn thành mô đun:

Áp dụng hình thức kiểm tra tích hợp giữa lý thuyết với thực hành Các nội dung trọng tâm cần kiểm tra là:

­ Lý thuyết:

+ Các đặc tính của động cơ, các phương pháp điều khiển tốc độ truyền động điện;

+ Các phương pháp ổn định tốc độ truyền động điện;

+ Chọn được công suất động cơ phù hợp yêu cầu của tải;

+ Các đặc tính kỹ thuật của biến tần, khởi động mềm

­ Thực hành:

+ Vẽ được đặc tính cơ của động cơ điện bằng thí nghiệm;

+ Lắp đặt và vận hành các mạch khởi động, điều chỉnh tốc độ, mạch hãm động cơ điện;

+ Tính chọn công suất động cơ phù hợp với phụ tải;

+ Nhận dạng các thiết bị điều khiển truyền động;

+ Khởi động mềm, dừng mềm, hãm động cơ;

+ Đặt chế độ làm việc, đạt tham số cho biến tần;

+ Xử lý các lỗi trong các bộ điều khiển truyền động

BÀI 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Mục tiêu:

Kiến thức:

­ Trình bày khái niệm, đặc điểm, ý nghĩa của hệ truyền động điện;

­ Giải thích cấu trúc chung và phân loại hệ truyền động điện;

­ Tính toán qui đổi mômen cản, lực cản, mômen quán tính về trục động cơ;

­ Xây dựng phương trình chuyển động của hệ truyền động điện

Kỹ năng:

­ Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện;

­ Phân biệt được các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện

* Khái niệm về hệ thống truyền động điện:

Hệ thống truyền động điện là tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị từ, thiết bị điện tử phục vụ 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

* Cấu trúc chung của một hệ thống truyền động điện

Hình 1.1 Cấu trúc chung của một hệ thống truyền động điện

Tuy nhiên trong thực tế không phải hệ thống truyền động điện nào cũng có

đầy đủ cấu trúc như hình 1.1

­ Trong hệ thống truyền động điện gồm có 2 phần: phần điện và phần cơ khí

a Phần điện

+ BBĐ: là bộ biến đổi biến điện năng từ lưới công nghiệp có tần số và điện

áp cố định thành dạng (điện) cần thiết với những thông số yêu cầu để cấp cho động cơ Thường là bộ biến đổi máy điện (máy phát 1 chiều, xoay chiều), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hoà), bộ biến đổi điện tử (chỉnh lưu thyristor, biến tần transisto)

+ Đ: là động cơ điện là đối tượng điều khiển của truyền động điện, nó có thể là:

Lệnh đặt

Lưới

ĐK

o Động cơ điện một chiều: động cơ điện một chiều kích từ độc lập, động cơ điện

một chiều kích từ song song, động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, động cơ

điện một chiều kích từ hỗn hợp

o Động cơ điện xoay chiều: động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ

Ngoài ra còn có thể sử dụng một số loại động cơ đặc biệt khác

+ ĐK: là bộ điều khiển Gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số

và công nghệ, ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển đóng, cắt phục vụ công

nghệ và cho người vận hành Một số hệ điều khiển tự động có mạch ghép nối với

các thiết bị tự động khác trong dây truyền sản xuất

b Phần cơ khí

+ TBL: khâu truyền và biến lực có nhiệm vụ là truyền năng lượng được cấp

cho bộ phận làm việc của máy như: hộp số, thanh răng – bánh răng, đai truyền

+ M: máy sản xuất, đó là các bộ phận chuyển động của máy

* Nguyên lý chung

Điện năng của lưới điện công nghiệp có tần số và điện áp cố định được bộ

biến đổi biến thành dạng nguồn điện phù hợp với các thông số yêu cầu để cấp

cho động cơ, động cơ biến điện năng thành cơ năng rồi qua khâu truyền lực TBL

năng lượng được cấp cho bộ phận làm việc của máy sản xuất Để điều khiển máy

theo yêu cầu công nghệ người ta sử dụng bộ điều khiển

1.2 Phân loại hệ TĐĐ

Truyền động điện có rất nhiều loại, có thể phân loại chúng bằng nhiều cách

khác nhau:

a Phân loại theo loại động cơ sử dụng trong hệ

­ Truyền động một chiều: sử dụng động cơ điện một chiều

­ Truyền động xoay chiều: có 2 loại

+ Truyền động đồng bộ: sử dụng động cơ đồng bộ

+ Truyền động không đồng bộ: sử dụng động cơ không đồng bộ

­ Truyền động bước: sử dụng động cơ bước

­ Truyền động đặc biệt: sử dụng các loại động cơ đặc biệt khác

b Phân loại dựa vào mức độ tự động hoá

­ Truyền động không điều chỉnh: động cơ chỉ làm việc ở một cấp tốc độ đặt

­ Truyền động điều chỉnh: động cơ được điều chỉnh và làm việc ở nhiều cấp

tốc độ khác nhau

­ Truyền động bán tự động ứng dụng nguyên tắc điều khiển vòng hở

­ Truyền động tự động: ứng dụng các phương pháp điều khiển vòng kín

c Phân loại theo chiều quay của động cơ

­ Hệ truyền động đảo chiều: động cơ làm việc ở cả hai chiều quay

­ Hệ truyền động không đảo chiều: động cơ chỉ quay được một chiều

1.3 Phương trình chuyển động

1.3.1 Đặt vấn đề

Khi nghiên cứu hệ thống truyền động điện, người ta thường quan tâm đến các

thông số sau:

+ Mômen (lực) gây chuyển động M đ (M); F đ (F);

+ Mômen (lực)cản lại chuyển động M C (F C );

+ Tốc độ chuyển động ω, v;

+ Thời gian chuyển động t

Bốn thông số này liên quan với nhau bởi phương trình chuyển động của hệ thống

truyền động điện, đó là những phương trình cân bằng lực hoặc cân bằng mômen

của toàn hệ

1.3.2 Phương trình chuyển động tịnh tiến

Giả thiết một vật có khối lượng m chuyển động với vận tốc v trong thời gian t

Khi xem xét chuyển động này trong hệ thống truyền động điện và gọi P đ là công

suất do động cơ điện sinh ra, P C là công suất cản của máy sản xuất:

 P đg = P đ ­P C (1­2)

Cân bằng (1­1) và (1­2)

2

1.3.3 Phương trình chuyển động quay

Giả thiết một vật có khối lượng m chuyển động quay với vận tốc , vật này

có mômen quán tính J, khi đó động năng tích luỹ của vật quay là

2

2

Công suất động sinh ra:

P đ: công suất gây chuyển động của động cơ

P c: công suất cản của máy sản xuất

Do chuyển động quay có mômen quán tính J = const

F C : lực cản của cơ cấu chuyển động tịnh tiến; F đ : lực động cơ; M C: mômen cản

của cơ cấu chuyển động quay; M đ: mômen động cơ;

Nhận xét:

­ Dấu của M đ được xác định: chọn chiều quay của động cơ và gọi đó là chiều

quay thuận của động cơ Nếu M đ cùng chiều với chiều quay thuận thì trong phương trình trước nó có dấu dương, ngược lại thì có dấu âm

­ Dấu của M C được xác định: nếu ngược chiều với chiều quay thuận thì trong phương trình chuyển động lấy dấu dương, ngược lại nếu cùng chiều với chiều quay thuận thì lấy dấu âm

­ Căn cứ vào phương trình chuyển động cơ bản ta đánh giá trạng thái làm việc của hệ thống

2 Cơ học truyền động điện

2.1 Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính toán qui đổi các đại lượng về trục động cơ

có giá trị không đổi.

Hình 1.2b Biểu diễn mô men cản có tính chất phản kháng,

M c có giá trị không đổi.

­ Quá trình truyền năng lượng cơ từ trục động cơ đến bộ phận cuối cùng của

máy sản xuất sinh ra tổn hao năng lượng, đặc trưng bằng hiệu suất η;

­ Các bộ phận cơ khí của hệ thống truyền động điện được coi là phần tử cứng tuyệt đối Do vậy quá trình truyền lực từ bộ phận cơ khí này sang bộ phận cơ khí khác không bị biến dạng;

­ Thay thế toàn bộ các khâu cơ khí bằng mẫu

cơ học đơn khối như hình vẽ:

+ M Cqđ: mômen cản qui đổi về trục động cơ

+ J qđ: mômen quán tính qui đổi về trục động

cơ

+ M đ , đ: Mômen quán tính và tốc độ quay

của động cơ

* Mục đích của việc tính quy đổi:

Trong sơ đồ động học trên ta thấy: động cơ, các bánh răng, tang quay có

chuyển động quay với các tốc độ khác nhau, có mômen quán tính J khác nhau, có

mômen quay khác nhau Các mômen và các lực tác dụng vào hệ thống cơ tại những điểm đặt khác nhau Vì vậy muốn tính chọn được công suất của động cơ cần viết phương trình cân bằng lực hay cân bằng mômen của toàn hệ Khảo sát

sự chuyển động, các trạng thái làm việc trên các phần cơ khí của của hệ thì ta phải tính quy đổi tất cả các đại lượng cơ học như mômen, lực, mômen quán tính

J, khối quán tính m của các phần tử cơ khí trong toàn hệ về trục động cơ

2.1.1 Qui đổi mômen cản M C , lực cản F C về trục động cơ

Nguyên tắc của tính toán qui đổi là đảm bảo năng lượng của hệ trước và sau khi qui đổi không thay đổi hay công suất không đổi

a Quy đổi mômen cản M C về trục động cơ

Giả thiết tang trống có mômen là M t , tốc độ góc t, hộp tốc độ có hiệu suất

Giả thiết trọng tải G sinh ra lực F C và vận tốc chuyển động tịnh tiến là v Tính qui đổi F C về trục động cơ

Điều kiện là giữ công suất của tải trọng không thay đổi:

Từ: P t = F C v t và P C = M Cđ  . .

C t C C

2.1.2 Tính qui đổi tất cả mômen quán tính về trục động cơ

Giả sử: động cơ có mômen quán tính J đ , hộp biến tốc có K bánh răng mỗi bánh răng của nó có mômen quán tính J 1 , J 2 , J 3 J k và mỗi bánh răng quay với tốc độ 1, 2 , 3 k. Tang quay có mômen quán tính J t , tốc độ góc t, tải

trọng có khối quán tính m, tốc độ chuyển động v

2.2 Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ

2.2.1 Đặc tính cơ của máy sản xuất

Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng nhưng phần lớn chúng đều có thể biểu diễn bằng biểu thức tổng quát sau:

M C: mômen cản trên trục của máy sản xuất ứng với tốc độ C

M C0 : mômen cản của máy sản xuất khi không quay (C = 0)

M Cđm: mômen cản định mức là mômen trên trục của máy sản xuất ứng với tốc

+Là mômen cản trên trục của

máy phát điện một chiều kích từ độc

lập khi làm việc với phụ tải thuần trở

+Mômen cản do ma sát trượt sinh ra

(3) Ứng với: x = 2, M C tỷ lệ bậc hai với tốc độ, C biến đổi và dương, mômen phụ tải của quạt gió của máy bơm ly tâm

(4) Ứng với x = ­1, M C tỷ lệ nghịch với tốc độ, C biến đổi và âm

+Mômen của truyền động chính của máy tiện, phay, khoan;

+Mômen cản do ma sát nhớt sinh ra

Ngoài ra, một số cơ cấu của máy có đặc tính khác, ví dụ:

­ Mômen phụ thuộc vào góc quay M c = f() hoặc mômen phụ thuộc vào đường đi M c = f(s), trong thực tế 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 M c = f(, s) như các loại

xe điện

­ Mômen phụ thuộc vào thời gian M c = f(t), ví dụ như máy nghiền đá, quặng 2.2.2 Đặc tính cơ của động cơ

a Khái niệm

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

mômen trên trục động cơ

 = f(M) Hay M = ()

­ Đặc tính cơ điện của động cơ: là quan hệ giữa tốc độ quay trên trục động cơ

với dòng điện trong mạch động lực (dòng điện này tỷ lệ với phụ tải, khi tải thay đổi thì dòng cũng thay đổi) Nó cho phép ta biết được các giá trị dòng điện trong quá trình làm việc của hệ thống từ đó tính toán được các thiết bị đo lường, bảo

+ Xác định điều kiện đầu (bờ) của quá trình quá độ

­ Đặc tính cơ động:  = f(M) ở những trạng thái không xác lập của hệ thống

truyền động điện

Mục đích: đánh giá chất lượng động của hệ thống

­ Đặc tính cơ tự nhiên:  = f(M) với điều kiện:

+ Điện áp nguồn, tần số định mức (thông số nguồn là định mức)

+ Sơ đồ đấu dây bình thường (theo nhà chế tạo động cơ)

+ Không nối thêm điện trở và điện kháng (các phần tử phụ bên ngoài)

+ Điểm làm việc định mức: M đm , đm

­ Đặc tính cơ nhân tạo:  = f(M) có được khi thay đổi các thông số của nguồn,

hoặc thay đổi các thông số của động cơ, hoặc thay đổi cách đấu dây, hoặc dùng thêm các phần tử phụ

c Độ cứng đặc tính cơ

Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ  Nó cho ta biết mức độ thay đổi của tốc độ khi mômen thay đổi

Định nghĩa

Độ cứng đặc tính cơ biểu thị mức độ thay đổi tốc độ trong phạm vi phụ tải thay đổi cho phép

Vậy khi phụ tải thay đổi trong phạm vi

cho phép nếu tốc độ  thay đổi ít thì người ta

Cách 2: Giải tích khi có phương trình đặc tính cơ

Ta đi vào phương pháp cụ thể là xác định độ cứng đặc tính cơ bằng đồ thị:

Tại điểm A bất kỳ kẻ tiếp tuyến với điểm đó, tiếp tuyến kéo dài cắt trục tung (trục tốc độ) tạo thành góc  với quy ước chiều dương ngược chiều kim đồng

(2) là đường đặc tính cơ của

động cơ điện một chiều kích từ độc

lập, ta thấy  không đổi và 2 >

2



 tg2 < 0

(3) là đường đặc tính của động

cơ điện một chiều kích từ nối tiếp,

đặc tính cơ dạng đường cong

2.3 Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện

M



0



Trong hệ thống truyền động điện bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện ­ cơ Chính quá trình biến đổi năng lượng này quyết định trạng thái làm việc của truyền động điện Ta định nghĩa dòng công suất điện có giá trị dương nếu như có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi

công suất điện thành công suất cơ P cơ =M. cấp cho máy sản xuất

Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra có chiều cùng chiều với tốc độ quay Ngược lại công suất 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 sinh ra ngược chiều với tốc độ quay

Mômen của máy sản suất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản Nó được định nghĩa dấu (­) và dấu (+) ngược lại với dấu mômen của động cơ

Phương trình cân bằng công suất của hệ truyền động là:

P Đ = P C + P

Trong đó: P Đ : công suất điện, P C: công suất cơ, P: tổn thất công suất

Tuỳ thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc của động cơ gồm: trạng thái động cơ và trạng thái hãm

­ Trạng thái động cơ bao gồm chế độ có tải và không tải;

­ Trạng thái hãm bao gồm trạng thái hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược, và hãm động năng:

+ Hãm tái sinh: P Đ < 0; P C <0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới; + Hãm ngược: P Đ > 0; P C <0, điện năng và cơ năng biến đổi thành mômen

hãm động cơ;

+ Hãm động năng: P Đ = 0; P C < 0; năng lượng biến thành công suất tổn thất

P dưới dạng điện, nhiệt

Biểu đồ

>0 = 0 = P Đ Động cơ không tải

Theo quy ước về dấu của các mômen trong phương trình chuyển động thì ở mômen động cơ cùng chiều với tốc độ còn mômen cản ngược chiều với tốc độ vì vậy ta có thể biểu diễn trên cùng một hệ trục tọa độ (để cho gọn ta ký hiệu

mômen động cơ và tốc độ động cơ: M, )

Điều kiện ổn định của truyền động điện:

Ổn định của hệ thống truyền động điện rất quan trọng nó ứng với điểm làm

việc xác lập của hệ thống (M = M c ) trong quá trình làm việc do nhiều nguyên

nhân chủ quan và khách quan điểm làm việc xác lập bị phá vỡ Nếu hệ thống truyền động điện sau một thời gian tự trở về được điểm ổn định ta nói hệ thống

đó làm việc ổn định Nếu không quay trở về được ta nói hệ thống làm việc không

ổn định và người ta chia ra quá trình mất ổn định làm 2 loại:

+ Loại thứ nhất có mức độ diễn biến nhanh nên bắt buộc phải xét đến quán tính điện từ và cơ học của hệ Độ ổn định tương ứng với loại này gọi là ổn định động

+ Loại thứ 2 có mức độ diễn biến chậm đến mức có thể bỏ qua quán tính điện

từ và cơ học, nghĩa là chỉ cần quan tâm đến trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình Độ ổn định tương ứng với loại này gọi là độ ổn định tĩnh của hệ thống truyền động điện

Tiêu chuẩn ổn định tĩnh phát biểu:

Điều kiện cần và đủ để một trạng thái

xác lập của hệ thống truyền động điện ổn

định là gia số tốc độ (đặc trưng cho hiện

tượng mất cân bằng) và mômen động xuất

hiện khi đó phải ngược dấu nhau:

Giả sử hệ thống truyền động điện có đặc tính cơ như hình 1.7

Để xét ổn định tĩnh của hệ thống truyền động điện ta có thể dựa vào đặc tính cơ

của động cơ và đặc tính cơ của phụ tải Trên hình 1.7, A là điểm làm việc xác lập

với xlA, giả sử vì một lý do nào đó hệ tăng tốc lên điểm B:  =xlB ­ xlA > 0

 M đg < 0, tương tự như vậy khi giảm tốc  < 0  M đg > 0, hệ thống truyền

động điện ổn định tại A

Một cách gần đúng, khi gia số tốc độ đủ nhỏ có thể coi đặc tính cơ của động

cơ và của phụ tải là thẳng, nghĩa là thay các đặc tính cơ bằng các tiếp tuyến của

chúng tại điểm xác lập Các tiếp tuyến này tạo với trục  theo chiều dương các

góc 

Hình 1.8 Điểm làm việc ổn định và không ổn định

Với giả thiết trên ta có: M = .; M c = .; M đg = ( ­ c ).



Vậy để hệ thống làm việc ổn định thì độ cứng của động cơ phải nhỏ hơn độ cứng

của máy sản xuất

Trạng thái mômen của động cơ cùng chiều với tốc độ nghĩa là M. > 0 Ở trạng

thái này điện năng từ lưới qua động cơ sẽ biến thành cơ năng đưa ra trục động cơ

Nếu biểu diễn trên hệ tọa độ [M, ] thì chế độ động cơ được biểu diễn ở góc

Hình 1.9 Các trạng thái làm việc của máy điện

Trạng thái máy phát của động cơ là trạng thái mà mômen quay của động cơ

ngược chiều với tốc độ nghĩa là M  < 0 Ở trạng thái này động cơ sẽ làm việc

như một máy phát, mômen hãm sinh ra do quá trình biến đổi năng lượng từ cơ ra

điện và đóng vai trò là mômen hãm M hãm Điểm làm việc được biểu diễn trên đồ

D CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

(I) Trạng thái động cơ quay thuận

(II) Trạng thái máy phát ở

chiều quay thuận

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

2 Phân loại máy sản xuất và cơ cấu công tác theo đặc tính cơ?

3 Hệ thống truyền động điện gồm các phần tử và các khâu nào? Lấy ví dụ minh họa ở một máy sản xuất trong thực tế?

4 Mômen cản là gì? Đơn vị đo lường của nó? Công thức quy đổi mômen 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 mômen quán tính về trục động?

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 phản kháng

8 Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất Phương trình tổng quát của nó

và giải tích các đại lượng trong phương trình?

9 Hãy vẽ dạng đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: truyền động chính máy tiện; cơ cấu nâng hạ cầu trục, truyền động bàn máy bào, máy bơm ly tâm

10 Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện có phần cơ dạng mẫu cơ học 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 thống truyền 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 xác định độ cứng đặc tính cơ theo những cách nào?

14 Phân biệt các trạng thái động cơ và các trạng thái hãm của động cơ điện bằng những dấu hiệu nào? Lấy ví dụ thực tế về trạng thái hãm của động cơ trên một cơ cấu thực tế?

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

16 Chiều của dòng năng lượng sẽ như thế nào khi động cơ trong hệ TĐĐ làm việc ở trạng thái máy phát?

17 Điều kiện ổn định hệ tĩnh của hệ TĐĐ là gì? Phân tích một điểm làm việc xác lập ổn định tĩnh trên tọa độ [M, ω] và [Mc, ω]

BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ TRẠNG THÁI LÀM VIỆC

CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

­ Phân tích được các trạng thái làm việc của các loại động cơ;

­ So sánh được đặc tính của các loại động cơ, phạm vi ứng dụng của các động cơ dùng trong truyền động điện

Thái độ:

­ Rèn luyện tính tỉ mỉ, cẩn thận, lắng nghe, ghi chép đầy đủ

Nội dung

A LÝ THUYẾT

1 Đặc tính của động cơ điện một chiều, các trạng thái khởi động và hãm

Như trong bài 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(M c ) hoặc n c = f(M c )

Các đặc tính cơ có thể biểu diễn ở dạng hàm ngược, ví dụ M = f() hay M = f(n)

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 lực của động cơ:  = f(I) hoặc n = f(I)

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

­ 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 cơ bản 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 R cb

Với các động cơ một chiều:

dm

dm cb I

E

2

2

.3

Trong đó: ­ E 2đm: sức điện động ngắn mạch của rôto;

­ I 2đm: dòng điện định mức ở mỗi pha rôto

Nếu mạch rôto đấu tam giác thì điện trở định mức mỗi pha của rôto là:

Khi nguồn điện một chiều có công suất lớn hơn nhiều lần công suất của động

cơ 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

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

1.1.2 Phương trình đặc tính cơ

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảm (cuộn kích từ) 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:

U ư = E u + (R u + R p ).I u (2.1)

Trong đó: ­ U u: sức điện động phần ứng động cơ (V);

­ R u: điện trở phần ứng động cơ();

­ R p: điện trở phụ mạch phần ứng ();

­ I u: dòng điện phần ứng động cơ (A)

R u = r u + r ct + r cb + r cp (2.2)

­ r u: điện trở cuộn dây phần ứng;

­ r ct: điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp;

­ r cb : điện trở cuộn bù;

­ r cp : điện trở cuộn phụ

* Phương trình đặc tính cơ điện:

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)

Đặt 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

M K

R R K

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng

mômen điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là M đt = M cơ = M

M 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 I u = 0 hoặc M = 0 ta có:

R R

U

2

)( (2.14)

f

u  ; 

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 )

Trong đó:

dm I

I

I * ;

dm M

được gọi là điện trở cơ bản

Ta viết đặc tính cơ và đặc tính cơ điện ở đơn

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 U u , R u 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:

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 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:

U u = U đm,  = đm, R = R u + R f = var

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng Khi đó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ Cụ thể đến các thông số đặc tính cơ như sau:

+ Tốc độ không tải lý tưởng:

const K

dm R R K





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

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

u

dm TN

R

TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên

là đặc tính cơ cứng hơn tất cả các đặc tính cơ có

điện trở phụ

Kết luận: Như vậy, khi thay đổi điện trở phụ R f ta

có họ đặc tính biến trở có dạng như hình 2.5 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

R f4

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 dưới tốc độ cơ bản

c Ảnh hưởng của từ thông

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

U u = U đm ,  = var , R = R u = const

Để thay đổi từ thông , ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở R kt mắc ở

mạch kích từ của động cơ Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ R kt nên từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức Các thông số đặc tính cơ thay đổi như sau:

+ Tốc độ không tải:  var

x

đm ox K

U



+ Độ cứng đặc tính cơ: ( ) var

dm 

+ Mômen ngắn mạch: M nm = Kx I nm =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 chỉ 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

1.1.4 Cách dựng đặc tính cơ

a) Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên

Vì đặc tính của động cơ là đường thẳng nên khi ta vẽ ta chỉ cần xác định hai điểm của đường thẳng Ta thường chọn điểm không tải lý tưởng và điểm định mức

­ Đặc tính cơ điện tự nhiên:

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

u dm dm dm

R I U

dm dm

R I U K

P M



 (N.m) (2.21)

b) Cách vẽ đặc tính cơ nhân tạo

* Đặc tính biến trở: các đặc tính biến trở đều 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 I đm

Đối với đặc tính cơ:  ứng với M đm

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

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 R u không ghi trên nhãn máy Do vậy lúc

đó ta có thể tính gần đúng giá trị R u 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

U

(2.24)

c) Cách vẽ đặc tính giảm áp

Đặc tính giảm áp là một họ các đường

thẳng song song với đường đặc tính tự nhiên

nên để vẽ được đặc tính giảm áp ta vẽ đặc

tính tự nhiên sau đó xác định 0x Từ 0x vẽ

đường thẳng song song với đặc tính tự nhiên

0x = U x /(Kđm )

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

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 I nm 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 là dòng ngắn mạch I nm

Gọi độ suy giảm từ thông là:

R

U

I  (2.26)

Đặc tính cơ

Cách vẽ đặc tính cơ giảm từ thông cũng tương

tự như đặc tính cơ điện nhưng thay giá trị I nm

không đổi ở đặc tính cơ điện bằng giá trị

mômen ngắn mạch thay đổi



nmdm nm

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:

a

b c

e g

Muốn thế, người ta thường đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập

b) Đặc điểm

Trị số của điện trở phụ tổng mắc trong mạch khởi động được chọn sao cho

khi khởi động ( = 0) thì dòng điện khởi động không vượt quá 2,5I đm để đảm

bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động Ngoài ra I nm cũng không nên

quá nhỏ khiến M nm cũng nhỏ và làm chậm quá trình khởi động, thông thường:

dm f

u

dm

R R

dm

R R

K U

ở tốc độ cao trên đặc tính tự nhiên ta phải cắt dần các điện trở phụ Việc cắt dần các điện trở phụ nhờ có các tiếp điểm 1K, 2K, 3K của các công tắc tơ

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 u = I c)

* 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 định mức của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên;

­ Chọn hai giới hạn chuyển dòng điện khởi động động cơ

I 1  (22,5)I đm ; I 2 (1,11,3) I đm;

­ Lấy giá trị I 1 , I 2 trên trục hoành, từ I 1 , I 2 kẻ hai đường dóng song song với trục tung cắt đường đặc tính tự nhiên tại a và b Nối o với h (I 1) ta được đặc tính

khởi động đầu tiên Đặc tính này cắt đường dóng I 2 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 I 1) 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 I 1 ,I 2 rồi vẽ lại cho đến khi đạt được hai điều kiện: đường dóng song song trên cùng phải cắt đặc tính tự nhiên đúng tai b và số đăc tính biến trở bằng 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:

TN NT

ib

bd R ib

ib id

R 1    (2.34)

Tương tự như vậy:

u u

ib

df R ib

id if

ib

fh R ib

if ih

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 yêu cầu: m ;

­ 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 R f1 , R f2 , R fm và điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính là:

R

E U

I2   (2.36)

Tại điểm f:

1 1

E U

m

R

R R

R R

R

I

2 1 1

m -

dm m

-m

I R

U R

m * *

M R I

R

1 1

1 1

IRlglg

*

* - -

m

1 1

11

(2.38d) Trị số từng cấp điện trở khởi động được tính như sau:

+ Xác định các trị số điện trở khởi động theo biểu thức (2.38e).: R f1 , R f2 ,

­ 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: I 2 = (1,11,3)I đm

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

­ 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

I 1 , I 2 , M 1 , M 2

+ 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 I 1 , M 1 hoặc I 2 , M 2 rồi tính lại cho đến khi m là số nguyên

+ Xác định trị số điện trở khởi động ở mỗi cấp theo (2.38e)

1.1.6 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

Định nghĩa: 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)

Định nghĩa:

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc

độ quay của động cơ lớn hơn

tốc độ không tải lý tưởng

Quá trình hãm:

Khi hãm tái sinh E u > U u

So với chế độ động cơ, dòng

điện và mômen hãm đã đổi

chiều và được xác định theo

đến 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 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 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 o mômen điện từ của động cơ đổi dấu trở thành mômen hãm đến điểm

“Hạ tải” mômen M h = M c, tải trọng được hạ với tốc độ ổn định ôđ trong trạng thái hãm tái sinh

Kết luận:

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

­ Tại các cầu trục, máy nâng khi hạ tải trọng nhẹ

­ Ở các hệ truyền động điều chỉnh hãm tái sinh xảy ra khi giảm điện áp

nguồn U u, nghĩa là giảm đột ngột tốc độ không tải lý tưởng o khi tốc độ  do quán tính chưa kịp giảm

b Hãm ngược

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:

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 nên 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 thế năng 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:

f u f u

u u

h

R R

K U R R

E U

>0; M = KI h >0 nhưng lúc này <0 nên động cơ

làm việc ở trạng thái hãm ngược

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

Đảo chiều điện áp phần ứng

Giả sử động cơ làm việc tại điểm a trên đặc tính cơ tự nhiên với tải M c ta đảo

chiều điện áp phần ứng và đưa thêm vào điện trở phụ R f 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 > M c thì động cơ sẽ

quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d Đoạn bc là đặc tính hãm ngược

Dòng điện hãm được tính:

f u u f

u

u u h

R R

E U R

R

E U I

R R K

Như vậy ở đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng cùng chiều với điện

áp lưới Động cơ làm việc như một máy phát mắc nối tiếp với nguồn điện biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành mômen hãm rồi tiêu tán dưới dạng nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng vì vậy tiêu thụ năng lượng lớn

c Hãm động năng

Định nghĩa: hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy

phát mắc độc lâp với nguồn điện 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:

Hãm động năng kích từ độc lập

Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phần ứng động cơ khỏi nguồn điện một chiều, và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ Mạch điện động cơ khi hãm động năng

được trình bày trên hình 2.18

Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị hđ nên E hđ = 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 (2.42)

Hình 2.17 Sơ đồ đấu dây (a) và đặc tính hãm ngược(b) của ĐCMT kích từ

E

(a) T

R H

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 U u = 0 nên ta có phương trình đặc tính sau:

u h

K

R R



M K

Đây là phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ

độc lập được biểu diễn trên hình 2­18 Ta nhận thấy rằng:

Khi  = const thì độ cứng của đặc tính cơ phụ thuộc vào R h Khi R h 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:

I hđ 22,5 I đm

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy với mômen cản M c là phản kháng

thì động cơ sẽ dừng hẳn, đặc tính hãm động năng là đoạn o 1 b hoặc o 2 b Với mômen tải M c là thế năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo

chiều ngược lại đến làm việc ổn định tại điểm M = M c Đoạn b 1 c hoặc b 2 c cũng là

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

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 Chú ý chiều dòng điện kích từ vẫn phải giữ không đổi Để thực hiễn hãm động năng kích từ độc lập

người ta phải bố trí hệ thống tiếp điểm đóng cắt sao cho khi thực hiện hãm ta có

sơ đồ dạng sau đây:

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

I K

R R

R R R

R R R

h kt

h kt u

Trong quá trình hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần, 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

Kết luận:

So với phương pháp hãm ngược, hàm động năng có hiệu quả kém hơn khi

chúng có cùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản M c Tuy nhiên hãm động năng

ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lượng từ lưới, nên phương pháp này có khả năng hãm khi có sự cố mất điện lưới

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

1.2.1 Sơ đồ và phương trình đặc tính cơ điện, đặc tính cơ

Đặc điểm của động cơ 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

U u = E u + R u I u = K + R u I u (2.51)

R u = r u + r ctf + r ct + r kt (2.52)

Sau khi biến đổi ta nhận được:

u u

K

R K

R K

Trong các phương trình trên từ thông 

biến đổi phụ thuộc vào dòng điện trong

mạch kích từ theo đặc tính từ hóa

Để đơn giản khi thành lập phương trình các đặc tính ta giả thiết từ thông phụ thuộc tuyến tính với dòng kích từ như đường (2)

 = C.I kt với C là hệ số tỉ lệ

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

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

B I

A C K

R I C

Trong đó đặt A1 =

C K

U u

. ; B =

C K

R

.

Ta cũng có: I u =

C K

M

Thay (2­57) vào (2­56) ta được:

B M

A B M

C K

hình 2.22 Ta thấy các đặc tính này có dạng hypebol và mềm ở phạm vi dòng

điện có giá trị nhỏ hơn định mức Ở vùng dòng điện lớn, do mạch từ bão hòa nên

từ thông gần như không đổi và đặc tính cơ có dạng gần tuyến tính