Các trạng thái hoạt động của động cơ điện

Chương 2 CÁC TRẠNG THÁI HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1 Khái niệm chung 2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập song song 2.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 2.4 Động cơ điện

Chương 2

CÁC TRẠNG THÁI HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1 Khái niệm chung

2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song)

2.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

2.4 Động cơ điện không đồng bộ

2.5 Các đặc tính công tác của động cơ đồng bộ

2.1 Khái niệm chung

- ĐTC của máy sản xuất (tải) Mc(ω) : biết trước

- ĐTC của động cơ điện M(ω): Tự nhiên/ nhân tạo

- Hệ đơn vị tương đối

2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (kích từ song song)

2.2.1 Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song

2.2.2 Phương trình đặc tính cơ (ĐTC)

a) Các phương trình chính

- Phương trình cân bằng điện áp phần ứng và mạch kích từ:

Laplace u

Eu = kφ.ω và M = kφ.Iu trong đó k pN

2 a

=π

k

R R k

U

φ

+

− φ

U

2 fu u u

φ

+

− φ

-b) Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện

φ ≈ const ⇒ ω = f(Iu) và ω = f(M) tuyến tính

- Khi Iu = 0, M = 0:

0

uk

U

ω

= φ

=

- Khi ω = 0:

nmfu

u

u

R R

R R

2R R

k d

=

fuu

2R R

k d

dM

+

φ

= ω

k

R R φ

M

1

0 − β ω

φ

R R

k R

R

U k

M

fuu

2fu

u

- Dạng 4 (ở đơn vị tương đối)

*u

*

*fu

*u

*

*u

*

I R R U

φ

+

− φ

=

( )* 2 *

* fu

* u

*

* u

*

M R R U

φ

+

− φ

U

2dm

udm

dm

φ

− φ

=

udm

udm

k

R k

U

φ

− φ

=

- Tốc độ không tải và độ cứng ĐTC tự nhiên:

®m o

®m

Uk

dm0

k

U φ

I R U

k

ω

−

= φ

dm

dmdm

1000 P M

ω

=hoặc Mđm = kφdm.Idm

= ®m

nm

−

UI

R

u

dmdmnm

R

U k

hoặc

A , U

1000 P I

dmdm

dm

Ω η

−

I

U ) 1

.(

5 , 0 R

dm

dmdm

⇒ Rfư, Uư, φ có thể thay đổi

a) Đặc tính nhân tạo “biến trở”: (Uu = Uđm, φ = φđm)

- Độ cứng ĐTC:

®m tn

b) Đặc tính nhân tạo khi thay đổi từ thông φφφφ: (Rfư = 0, Uư = Uđm)

~k

= k I ~

⇒ Khi giảm φ < φđm …

Chú ý: Vì không thể tăng ikt trên giá trị định mức, nên chỉ có thể tạo φ < φđm Do đó, các đặc tính

cơ điện nhân tạo đều có vị trí cao hơn đặc tính tự nhiên; tương tự, trong vùng phụ tải Mc cho phép tốc độ trên các đặc tính nhân tạo lớn hơn tốc độ trên đặc tính cơ tự nhiên

φ2 < φ1 < φđm

φ2 < φ1 < φđm

* Ví dụ 1: Dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhận xét về dạng đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ song song Số liệu cho trước: Động cơ loại làm việc dài hạn, cấp điện áp 220V, công suất định mức 6,6kW; tốc độ định mức 2200 vòng/phút; dòng điện định mức 35A; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26Ω

Giải:

+ Dựng đặc tính cơ tự nhiên dựa vào 2 trong 3 điểm:

1 điểm không tải [0, ω0]

2 điểm định mức [Mđm, ωđm]; hoặc [Iđm, ωđm] cho đặc tính cơ điện tự nhiên

3 điểm ngắn mạch [Mnm,0]; hoặc [Inm, 0] cho đặc tính cơ điện tự nhiên

Tốc độ định mức:

3 , 230 55

, 9

2200 55

, 9

, 230

1000 6 , 6 1000 P M

, 230

26 , 0 35 220 R

I U

k

dm

u dm dm

, 0

220 k

, 0

220 R

U I

91 , 0 I

k

Như vậy ta xác định được điểm ngắn mạch [770 ; 0]

Từ 2 điểm trong 3 điểm: điểm không tải và điểm định

mức hoặc điểm ngắn mạch ta có thể dựng được đặc tính cơ như hình bên

+ Đánh giá đường đặc tính cơ:

- Độ sụt tốc khi có tải định mức (so với tốc độ không tải lí tưởng):

∆ωc = ω0 - ωđm = 241,7 – 230,3 = 11,4 [rad/s]

% 7 , 4

% 100 7 , 241

4 , 11

% 100

- Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên:

18 , 3 26 , 0

91 , 0 R

Bài tập 2.1: Dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhận xét về dạng đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ song song Số liệu cho trước: Động cơ loại làm việc dài hạn, cấp điện áp 220V, công suất định mức 4,4kW; tốc độ định mức 1500 vòng/phút; hiệu suất định mức 0,85

Đáp án

2.2.5 Các trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ độc lập

- Trạng thái động cơ: là trạng thái mà mômen động cơ sinh ra hỗ trợ việc quay Hay chiều của momen động cơ cùng chiều với chiều của tốc độ quay

Chế độ động cơ M>0, ω>0, I>0, U>0, U>E

P = M.ω>0

Pđ = U.I >0

Chế độ máy phát M<0, ω>0, I<0, U>0, U<E

P = M.ω<0,

Pđ = U.I<0

Chế độ máy phát M>0, ω<0, I>0, U<0, |U|<|E|

P = M.ω<0,

Pđ = U.I<0

Chế độ động cơ M<0, ω<0, I<0, U<0, |U|>|E|

ω

ω0

MC

MC1 A

| I

| k

R k

U

uuu

φ

+ φ

=

( ) k . | M |

R k

U

2uu

φ

+ φ

=

Hãm tái sinh xẩy ra khi hạ tải ở cần trục, máy nâng hạ có tải trọng nặng, hoặc khi điều chỉnh điện

áp phần ứng giảm đột ngột làm ω0 < ω và ω chưa kịp giảm

b) Hãm ngược: Hãm ngược xảy ra khi động cơ (dưới tác động của thế năng hoặc động năng tích luỹ trong cơ cấu công tác) quay ngược chiều tốc độ không tải lí tưởng

Có hai trường hợp xảy ra hãm ngược:

+ Thêm Rfư đủ lớn vào mạch phần ứng động cơ:

( ) k . M

R R k

U

2fuu

u

φ

+

− φ

∆

k

U M

k

R

02

( ) k . | M |

R R k

| U

|

2fuu

u

φ

+ + φ

∆

k

U M

k

R

02

k

R R

2 h u u

h u

φ

+

−

= φ

R R

Giải: Ta sử dụng sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập, trong đó đảm bảo φ = φđm

Điểm làm việc trước khi hãm là điểm định mức, ta có:

Ic = Iư = Iđm = 35A, tương ứng với momen định

mức Mđm;

ωa = ωđm = 230,3 [rad/s]

Sđđ của động cơ trước khi hãm:

Ea = Uđm – Iư.Rư = 220 – 35.0,26 = 210,9 [V]

momen (dòng điện) hãm lớn nhất sẽ tại thời điểm ban đầu

của quá trình hãm, ngay khi chuyển đổi mạch điện làm việc

sang mạch hãm động năng

Ihmax = Ihbđ hay Mhmax = Mhbđ

Vì φ = φđm = const nên để đảm bảo Mhmax = 2 Mđm thì

Ihbđ = 2Iđm = 2.35 = 70 [A]

70

9 , 210 I

E I

k I

k R

hbd

a hbd

a u

ut

Vậy điện trở hãm đấu vào mạch phần ứng là: Rh = Rut – Ru = 3,01 – 0,26 = 2,75 [Ω]

2.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

2.3.1 Phương trình và dạng đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

R R

k

U

2 f u u

A I I c k

R R

B M

A c

k

R R M

U

A1 =

c k

R R

=

c k A

2.3.3 Các đặc tính nhân tạo của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

“ đặc tính nhân tạo biến trở” được xác định dựa trên đặc tính tự nhiên (Rf = 0):

Lấy một giá trị I1 nào đó, dóng lên đặc tính này ta có tốc độ tương ứng ω1 Có thể biểu thị ω1 theo công thức:

1

u 1 1

k

R I U φ

nt

k

) R R (

I U

f u 1 1

1

nt

R I U

) R R ( I U

−

+

− ω

2.3.4 Các trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Do ω0 -> ∞ nên động cơ một chiều kích từ nối tiếp không có hãm tái sinh

a) Trạng thái hãm ngược: xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ ngược chiều với tốc độ không tải

lí tưởng (ω0 = +/- ∞)

+ Đưa thêm điện trở phụ Rf đủ lớn vào mạch động cơ khi tải thế năng

Trên đoạn đặc tính cd, có M >0 và ω<0 vì vậy

P = M.ω <0 => M có tác dụng hãm (hạn chế) ω

+ Đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng của động cơ:

c

b) Trạng thái hãm động năng (ω0 = 0):

2.3.5 Nhận xét về động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Về cấu tạo, động cơ một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ chịu dòng lớn, nên tiêt diện to và

số vòng ít Nhờ đó dễ chế tạo hơn và ít hư hỏng hơn so với động cơ một chiều kích từ song song

- Có khả năng quá tải lớn về mômen Khi có cùng hệ số quá tải dòng kI thì mômen của động cơ kích từ nối tiếp lớn hơn kI lần so với mômen động cơ kích từ song song

- Mômen không phụ thuộc vào sụt áp trên đường dây tải điện

- Có khả năng tự điều tiết giá trị tốc độ khi phụ tải thay đổi để giữ cho công suất động cơ gần như không đổi nhờ đặc tính cơ dạng hybecbol

2.3.6 Đặc điểm, đặc tính cơ và các trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

φ = φs + φn

thường φs = (0,75÷0,85)φđm

khi Mc = Mđm thì Iư = Iđm, tương ứng φn = (0,25÷0,15)φđm

ω0 ≈ (1,3÷1,6)ωđm

2.4 Động cơ điện không đồng bộ

2.4.1 Đặc tính cơ điện ω = f(I1) hoặc ω = f(I2)

Ở đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ không đồng bộ, đại lượng tốc độ được biểu thị thông qua đại lượng “hệ số trượt” s:

0

0s

ω

ω

− ω

p

f 2

0

π

= ω

( ' )2 1

2 ' 2 1

1 '

2

2

X X s

R R

U I

+ +

1 e

E2nm.f - sức điện động pha roto khi hở mạch và rôto đứng yên

Biểu thị đặc tính cơ điện theo quan hệ I1 = f(ω):

+ +

2 2 1 1

X s

R R

1 X

R

1 U

I

- Khi không tải lí tưởng, s = 0 thì I1 = Iµ =

2 2 1

X R

' 2

s

I R 3

M

ω

2 ' nm

2 ' 2 1

0

' 2

2 1

X s

R R

s / R U 3

2 1

' 2 th

X R

R s

0

2 1 th

X R R

2

U 3 M

+

± ω

±

=

th th

th

th th

s a s

s s

s

) s a 1 ( M 2 M

+ +

s

M 2 M

th th

th

+

- Khi chỉ tính toán trong vùng làm việc với phụ tải Mc ≤ Mđm, coi s << sth ta bỏ qua thành phần s/sth ta được:

TH

s s

M 2

M

th

th

= (ta đã tuyến tính hoá trong vùng có s nhỏ)

Ta thấy đường đặc tính cơ có 2 đoạn:

- Đoạn thứ nhất, từ điểm ω0 đến điểm tới hạn TH (s=sth), gọi là “đoạn công tác”, có β<0 Động

cơ chỉ làm việc xác lập trên đoạn này

- Đoạn thứ hai, từ điểm TH đến điểm ngắn mạch (s=1) có β>0, chỉ tồn tại trong giải đoạn khởi động hoặc quá độ

2.4.3 Dựng đặc tính tự nhiên

Từ số liệu catalog động cơ như Pđm [kW], nđm [vòng/phút], hệ số mômen cực đại (mômen tới hạn) λ = Mth/Mđm, ta có:

55 , 9

n 60

= [vòng/phút]

Ở lưới điện có tần số f = 50Hz, vì p là các số nguyên 1,2,3, tương ứng n0 = 3000, 1500, 1000,

Vì vậy tốc độ không tải lí tưởng có thể được suy ra từ nđm theo nguyên tắc làm tròn lên, do sđmthường <0,1 nên nếu nđm =1485 vòng/phút thì n0 = 1500vòng/phút

0

dm 0

=

dm

dm dm

P 1000 M

Thay sth và Mth vào phương trình Kloss ta thu được phương trình đặc tính cơ tự nhiên

Nếu tuyến tính hóa đoạn đặc tính công tác qua điểm không tải lí tưởng và điểm định mức thì có thể biểu thị đặc tính cơ tự nhiên bằng phương trình:

dm

M ds

dM 1 d

= ω

=

và

dm 0

dm

*

s

1 /

d

dM / dM

= ω ω

= β

2 ' 2 1

2 ' 2 1

' 2

2 1 2

' nm

2 ' 2 1

0

' 2

2 1

X X s

R R p

f 2

s / R U 3

X s

R R

s / R U 3 M

⇒ M = f(s) : U1, f, p, R2, R1, X1 và X2

Do f2 = sf1 nhỏ nên thay đổi X2 ít hiệu quả ⇒ không dùng

a) Họ đặc tính thay đổi R2 (họ đặc tính biến trở)

Khi thay đổi Rf mạch rôto thì

2 nm

2 1

' f

' 2 2

nm

2 1

' 2

X R

R r X

=

và

X R R

2

U 3 M

2 nm

2 1 1

0

2 1

+ +

ω

=

ω0 = const

b) Họ đặc tính thay đổi điện áp stato

Khi thay đổi U1 thì

ω0 = const

const X

R

R s

2 nm

2 1

' 2

dm

1 tn th 2

nm

2 1 1

0

2 1

U

U M

X R R

2

U 3

+ ω

=

c) Họ đặc tính thay đổi điện trở và điện kháng stato

Khi thay đổi R1 và X1 thì

ω0 = const

1 1

2 nm

2 1

' 2 th

X

1 , R

1 X

X

1 , R 2

1 X

R R

2

U 3

+ +

ω

=

R1f

X1f TN

sth.tn

sth.1

ω0

d) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực p

ω0 = 2πf/p, p = 1,2, nên tốc độ từ trường quay thay đổi nhẩy cấp

e) Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi tần số f

Khi giảm f thì E = Kφ.f giảm, Z1 = 2πf.L1 giảm Nếu U1 vẫn giữ nguyên = Uđm thì dòng điện trong động cơ:

1 1

1 1

.

Z

E U

= sẽ lớn hơn Iđm

vì vậy khi thay đổi f thì bắt buộc phải điều chỉnh cả U1

Nếu điều chỉnh f<fđm, ta muốn giữ Mth = const thì:

f

U X

R R

2

U 3 M

2

2 1 2

nm

2 1 1

0

2 1

+ +

ω

Còn khi điều chỉnh f>fđm ta nếu điều chỉnh theo luật U/ f = const ta có thể giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất

2 2

2.4.5 Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

a) Hãm tái sinh

- Hạ tải ở các máy nâng hạ (cẩu tháp, vận thăng, cần trục, )

- Giảm tần số dòng điện stato đột ngột

b) Hãm ngược

- Thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto R2f (chỉ dùng cho động cơ rôto dây quấn)

- Đổi thứ tự pha điện áp stato (đảo chiều từ trường quay ω0):

c)Hãm động năng

Đặc tính hãm động năng, dùng đơn vị tương đối:

*

* th

* th

* dn th

M 2 M

ω

ω + ω

ω

=

trong đó tốc độ tương đối:

tốc độ tương đối tới hạn:

' 2

' 2

* th

X X

R +

= ω

µ

mômen tới hạn hãm động năng

2 0

2 2 1 dn

th

X X 2

X I 3 M

+ ω

=

µ µ

trong công thức này, I1 là dòng điện xoay chiều (giả tưởng) thay thế cho dòng điện một chiều Imc

chạy trong cuộn dây stato khi thực hiện hãm động năng

I1 = A.Imc

A được xác định theo cách đấu các cuộn dây stato:

Ta cũng có thể lấy Imc từ nguồn do chính động cơ phát ra thông qua bộ chỉnh lưu ở mạch rôto hoặc bộ tụ điện ở mạch stato Các sơ đồ này gọi là “hãm động năng tự kích”

Bài tập 1: Tính và vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn với điện trở phụ mỗi pha Rf = 0,175Ω, động cơ 850kW, 6000V, n0=600vg/ph, nđm

cơ 11kW, 220V, 953vg/ph, λ = 3,1; cosϕđm = 0,71; cosϕ0 = 0,24 (không tải); I1đm = 28,4A; I1.0(không tải) = 19,2A; R1 = 0,415Ω; X1 = 0,465Ω; E2nm = 200V; I2đm = 35,4A; r2 = 0,132Ω; X2 = 0,27Ω; Ke = 1,84

Đáp án: Rh = 1,308ΩΩΩ, Imc = 53A

2.5 Các đặc tính công tác của động cơ đồng bộ

2.5.1 Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ

và ( )

s

l

x I

sin U CA

CB

=

= θ

− ϕ

x

EU cos

Vế trái chính là công suất của 1 pha động cơ

= ω

x

EU 3 P

s 0

l 0

trong đó

s 0

l m

x

EU 3 M

Bài tập cuối chương 2

Bài 1: Xác định các thông số của động cơ một chiều kích từ song song Số liệu cho trước là các thông số catalog Yêu cầu xác định: Từ thông định mức (hoặc kφđm), Iưđm, Mđm (mômen cơ), mômen điện từ định mức Mđt.đm, điện trở phần ứng Rư, điện trở định mức Rđm, Rư*, độ sụt tốc ứng với tải định mức ∆ωc và ∆ω*

c; tốc độ không tải lý tưởng ωo, dòng điện ngắn mạch Inm, mômen ngắn mạch Mnm, độ cứng ĐTC tự nhiên β và β*

; phương trình ĐTC và ĐT cơ-điện tự nhiên ở hệ đơn vị tuyệt đối và tương đối, vẽ ĐTC ở đơn vị tuyệt đối và đơn vị tương đối Số liệu cho trước:

Thông số Phương án

Bài 2 Xác định thông số của động cơ xoay chiều không đồng bộ rôto dây quấn Cho trước các số liệu catalog Yêu cầu xác định các đại lượng: mômen (cơ) định mức Mđm; độ trượt định mức sđm;

hệ số biến áp Ke, hệ số quy đổi điện trở và điện kháng Kr, R2đm, R2*, R2, R2’, Xnm, Xnm’, mômen khởi động; phương trình ĐTC dạng Kloss, vẽ ĐTC tự nhiên Số liệu cho trước:

Bài 3 Nghiên cứu các chế độ làm việc ở trạng thái động cơ và trạng thái hãm động năng của động

cơ một chiều kích từ song song Số liệu cho trước: Động cơ 10kW, 220V, 54A, 970vòng/phút,

Rư = 0,35Ω; điện trở cuộn kích từ Rkt = 140Ω

1) Dựng các ĐTC khi có điện trở phụ Rf trong mạch phần ứng và xác định tốc độ làm việc khi nâng tải với phụ tải là Mc Giá trị Rf và Mc cho trong bảng dưới

2) Khi hạ tải trọng ta cắt phần ứng động cơ ra khỏi nguồn và nối vào điện trở hãm Rh Hãy xác định Rh sao cho mômen hãm ban đầu của động cơ Mhbđ = 2Mđm ứng với các phương án làm việc khi nâng tải cho trong bảng dưới

3) Xác định tốc độ xác lập khi hạ tải trọng với các giá trị Mc cho trong bảng và các giá trị Rh

tương ứng đã xác định được từ câu 2

Phương án Thông số

Rf Ω 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Bài 4 Dựng ĐTC tự nhiên của động cơ KĐB rôto lồng sóc theo các số liệu catalog bằng phương pháp chính xác và phương pháp gần đúng So sánh kết quả của 2 phương pháp đó Số liệu catalog cho trong bảng:

Thông số Phương án

2.M (1 a.s )

M

ss

để xác định a và sth ta thay các số liệu tại điểm định mức và điểm

ngắn mạch sẽ thu được hệ 2 phương trình và giải ra ta đạt được kết quả

Bài tập 6 Số liệu động cơ KĐB rôto lồng sóc cho theo bài tập 5 Hãy trình bày và tính toán các cách đưa trạng thái động cơ từ điểm A (điểm định mức) đến các điểm B[0,4;0,4] và C[-0,6;0,6]

Trở về đầu chương 2