Bài giảng Truyền động điện cung cấp cho người học các kiến thức: Những khái niệm cơ bản về hệ truyền động điện; Đặc tính cơ của động cơ điện; Điều chỉnh tốc độ truyền động điện; Tính toán và chọn công suất động cơ điện trong truyền động điện. Mời các bạn cùng tham khảo!
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Cấu trúc chung và phân loại
Hệ thống truyền động điện bao gồm các thiết bị điện, điện từ và điện tử, có chức năng biến đổi năng lượng điện thành cơ và truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình này Cấu trúc chung của hệ truyền động điện được chia thành hai phần chính, như được minh họa trong hình 1.1.
Phần lực bao gồm bộ biến đổi và động cơ truyền động, với các bộ biến đổi phổ biến như máy phát một chiều, máy phát xoay chiều, khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa, chỉnh lưu tiristo, biến tần tranzitor và thyristor Động cơ điện được phân loại thành động cơ một chiều, động cơ xoay chiều đồng bộ, động cơ không đồng bộ và các loại động cơ đặc biệt như động cơ bước, động cơ servo AC và servo DC.
Phần điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, bộ điều chỉnh tham số, thiết bị điều khiển và đóng cắt, phục vụ cho công nghệ và người vận hành Ngoài ra, một số hệ thống truyền động còn tích hợp mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong dây chuyền sản xuất.
Hình 1.1 Mô tả cấu trúc chung của hệ truyền động Trong đó: BBD - Bộ biến đổi; DC - Động cơ truyền động; MSX – Máy sản xuất; RT –
Bộ điều chỉnh công nghệ (KT) và các bộ đóng cắt phục vụ công nghệ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất Các bộ điều chỉnh truyền động (R) và bộ đóng cắt phục vụ truyền động (K) hỗ trợ hiệu quả trong việc kiểm soát động cơ và hệ thống truyền động Người vận hành (VH) là nhân tố quyết định trong việc vận hành và giám sát các thiết bị này, trong khi mạch ghép nối (GN) đảm bảo sự kết nối và tương tác giữa các bộ phận trong hệ thống.
Trong thực tế sản xuất, không phải tất cả các hệ thống truyền động đều có cấu trúc hoàn chỉnh Do đó, hệ thống truyền động có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
- Truyền động không điều chỉnh: thường chỉ có một động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định
Truyền động điện có điều chỉnh bao gồm nhiều loại, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ như điều chỉnh tốc độ, mô men, lực kéo và vị trí Hệ thống truyền động này có thể sử dụng nhiều động cơ và được điều khiển thông qua các tín hiệu khác nhau, cho phép tạo ra hệ truyền động điều khiển số, tương tự hoặc theo chương trình.
Khái niệm chung về đặc tính cơ của động cơ điện
Đặc tính cơ của động cơ điện phản ánh mối quan hệ giữa tốc độ quay và mô men Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ được xác định khi động cơ hoạt động ở chế độ định mức mà không có thêm điện trở hay điện kháng Tại đây, điểm làm việc định mức được xác định bởi giá trị (M đm, ω đm) Ngược lại, đặc tính cơ nhân tạo xuất hiện khi thay đổi các tham số nguồn hoặc kết nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, khái niệm độ cứng đặc tính cơ β được sử dụng.
Mômen động cơ (M) và tốc độ động cơ (ω) là hai yếu tố quan trọng trong việc xác định đặc tính cơ học của hệ thống Độ cứng (β) có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học: khi β lớn, hệ thống có đặc tính cơ cứng; khi β nhỏ, đặc tính cơ mềm; và khi β tiến tới vô cực, hệ thống đạt được đặc tính cơ tuyệt đối cứng.
Truyền động có đặc tính cơ cứng cho thấy tốc độ thay đổi rất ít khi mô men biến đổi lớn, trong khi đó, truyền động có đặc tính cơ mềm lại có tốc độ giảm đáng kể khi mô men tăng.
Hình 1.2 Độ cứng đặc tính cơ
Ví dụ như trên hình vẽ đường đặc tính cơ 1 mềm hơn so với đường đặc tính cơ 2 và 3
Đặc tính cơ của máy sản xuất
Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng Tuy vậy phần lớn được biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát:
M co - mô men ứng với tốc độ 0
M đm - mô men ứng với tốc độ định mức đm
M c - mô men ứng với tốc độ
Ta có các trường hợp:
- 0, M c M đm const, các cơ cấu nâng hạ, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại này (đường 1, hình 1-3a) ω m ® ω c
Hình 1.3 a) Dạng đặc tính cơ của một số máy sản xuất:
(1) 0, (2) 1, (3) 2,(4) 1; b) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính thế năng c) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính phản kháng
Trong trường hợp α = 1, mô men tỷ lệ bậc nhất với tốc độ rất hiếm gặp, một ví dụ tiêu biểu cho loại này là máy phát điện một chiều với tải thuần trở, như được thể hiện trong hình 1.3a.
- 2, mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ, là đặc tính của các máy bơm, quạt gió (đường 3, hình 1.3a)
Trong các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy và truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại, tỷ lệ nghịch giữa mô men và tốc độ là đặc điểm nổi bật Điều này được thể hiện qua các biểu đồ và hình ảnh minh họa, như trong hình 1.3a.
Ngoài ra, một số cơ cấu của các máy có đặc tính khác nhau, ví dụ:
Mô men trong các máy công tác có pittông và máy trục không có cáp cân bằng phụ thuộc vào góc quay hoặc đường đi, được thể hiện qua các hàm M c f() và M c f(s).
- Mô men phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi M c f(,s) như các loại xe điện
- Mô men cản phụ thuộc vào thời gian M c f(t), ví dụ như máy nghiền đá, quặng
Trên hình 1.3b và c biểu diễn đặc tính cơ của mômen cản phản kháng và mômen cản thế năng
- Mô men cản thế năng (như các cơ cấu nâng hạ tải trọng) có đặc tính const
M c và không phụ thuộc vào chiều quay (hình 1.3b)
- Mô men cản phản kháng luôn luôn chống lại chiều quay như mômen ma sát, mômen của cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại v.v.v….(hình 1.3c)
Trạng thái làm việc của truyền động điện
Trong hệ thống truyền động điện, quá trình biến đổi năng lượng điện thành cơ là yếu tố quyết định trạng thái làm việc của truyền động Dòng công suất điện Pđ được coi là dương khi nó truyền từ nguồn đến động cơ, nơi động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ.
P c cấp cho máy sản xuất
Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mô men động cơ sinh ra có cùng chiều quay với tốc độ quay
Công suất điện có giá trị âm khi dòng điện di chuyển từ động cơ về nguồn, trong khi công suất cơ có giá trị âm khi năng lượng được truyền từ máy sản xuất về động cơ Ngoài ra, mô men động cơ cũng sinh ra giá trị âm khi chuyển động ngược chiều với tốc độ quay.
Mô men của máy sản xuất, hay còn gọi là mô men phụ tải hoặc mô men cản, được định nghĩa với dấu âm và dương, trái ngược với dấu mô men của động cơ.
Phương trình cân bằng công suất của hệ thống truyền động là:
Trong đó : P đ : công suất điện
Tổn thất công suất của động cơ phụ thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ thống, bao gồm hai trạng thái làm việc chính: trạng thái động cơ và trạng thái hãm.
Bảng 1-1 Trạng thái làm việc của truyền động điện
Biểu đồ công suất Pđ Pcơ P Trạng thái làm việc
> 0 = 0 = Pđ Động cơ không tải
- Trạng thái động cơ bao gồm trạng thái có tải và không tải
- Trạng thái hãm gồm hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng
Hãm tái sinh Pđ < 0, Pc < 0 cơ năng biến thành điện năng trả về lưới
Hãm ngược Pđ > 0, Pc < 0 điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất P
Hãm động năng P đ = 0, Pc < 0 cơ năng biến thành công suất tổn thất P
Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ M(ω), với trạng thái động cơ nằm ở góc phần tư I và II, trong khi trạng thái hãm xuất hiện ở góc phần tư II và IV (xem Hình 1.4).
Hình 1.4 Trạng thái làm việc của truyền động điện trên các góc phần tư đặc tính
Qui đổi mômen cản , lực cản và mômen quán tính, khối lượng quán tính
Hình 1.5 mô tả cấu trúc cơ học tổng quát của truyền động với các đại lượng quan trọng như , M, v, F và mô men quán tính J Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán, các đại lượng này thường được quy đổi về trục động cơ Nguyên tắc quy đổi đảm bảo rằng năng lượng của hệ thống không thay đổi trước và sau khi quy đổi Cần tính quy đổi mômen M c và lực cản F c về trục động cơ.
- Giả sử khi tính toán và thiết kế người ta cho giá trị của mô men tang trống
M t qua hộp giảm tốc có tỷ số truyền là i và hiệu suất là i Mômen này sẽ tác động lên trục động cơ có giá trị M cqđ i t đ t cqđ
Hiệu suất hộp tốc độ là yếu tố quan trọng trong việc truyền tải lực từ tải trọng G Khi tải trọng này tạo ra lực F với vận tốc chuyển động V, nó sẽ ảnh hưởng đến trục động cơ và mô men M cqđ.
Hình 1.5 Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ hàng
(1) động cơ điện; (2) hộp tốc độ; (3) tay quay; (4) tải trọng b) Tính quy đổi mô men quán tính
Các cặp bánh răng có mô men quán tính J 1 J K , mô men quán tính tang trống
J t , khối lượng quán tính m và mô men quán tính động cơ J đ đều có ảnh hưởng đến tính chất động học của hệ truyền động
Khi xem xét điểm khảo sát là đầu trục động cơ và quán tính chung của hệ truyền động tại điểm này, chúng ta gọi nó là J qđ Từ đó, phương trình động năng của hệ được xác định.
Để xác định mô men cản và mô men quán tính của tải trọng và dây cáp qui đổi về trục động cơ, ta xem xét cơ cấu nâng hạ có sơ đồ động học giống như hình 1-5 Hệ thống truyền động bao gồm hai cặp bánh răng với tỷ số truyền i1 = i2 = 5 Trọng lượng vật nâng là G = 10KN và trọng lượng dây cáp Gc chiếm 10% Tốc độ nâng đạt 16,5m/s, trong khi hiệu suất của mỗi cặp bánh răng là 1 = 2 = 0,95 và hiệu suất tang trống tời là t = 0,93 Đường kính của trống tời được xác định là Dt = 0,6m.
Lấy tốc độ tính toán là tốc độ động cơ , khi đó mô men động cơ M được giữ nguyên
Tổng trọng lượng được nâng hạ;
Gt = G + Gc= 10 + 1 = 11KN = 11000N Mômen cản gây ra trên trống tời:
Tỷ số truyền của hộp giảm tốc ( tính từ trục động cơ đến trục trống tời): i = i1 i2 = 5.5 = 25 Hiệu suất hộp giảm tốc:
= 1 2 = 0,95.0,95 = 0,9 Vậy mômen cản tĩnh của tải trọng và dây cáp qui đổi về trục động cơ sẽ là:
MC = MCT / i. = 3548/ 25.0,9 = 157,7 Nm Khối lượng tải trọng và dây cáp tính theo kg:
Quan hệ giữa tốc độ quay nt ( vòng/ phút) của trống tời với tốc độ nâng v (m/s) của tải trọng: t t D n v
Từ đó ta rút ra được tỷ số truyền ( tỷ số biến đổi từ t sang v) của trống tời – dây cáp: m D v t t t
Tỷ số truyền từ động cơ đến dây cáp: i m v v t t t
Vậy mô men quán tính của tải trọng và dây cáp qui đổi về trục động cơ sẽ là:
Phương trình động học của truyền động điện
Phương trình cân bằng năng lượng của truyền động điện :
Trong đó : W : là năng lượng đưa vào động cơ,
W c : năng tiêu thụ của máy truyền động ,
W: mức chênh lệnh năng lượng giữa năng lượng đưa vào và năng lương tiêu thụ chính là động năng của hệ:
(1-11) Đạo hàm phương trình (1-11) và chia hai vế cho ta có: dt
1 là mô men của động cơ, c c M dt dW
Phương trình động học của hệ truyền động tổng quát có dạng
Thông thường 0 dt dJ ,vì vậy ta có phương trình động học thường dùng là:
Từ phương trình (1-14) thấy rằng :
= 0 hệ làm việc ổn định
Phương trình (1-14) thể hiện quá trình quá độ cơ của hệ truyền động điện, có thể được giải bằng các phương pháp giải tích, đồ thị hoặc số, tùy thuộc vào đặc tính của mô men cơ M() và M c ().
Điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện
Khi M = Mc, hệ truyền động hoạt động ổn định, với điểm làm việc ổn định là giao điểm giữa đặc tính cơ của động cơ Mω và máy sản xuất Mcω Tuy nhiên, không phải động cơ nào cũng có thể làm việc với mọi loại tải; cần có điểm giao nhau thỏa mãn điều kiện ổn định, được gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ và tải Để xác định điểm làm việc, ta dựa vào phương trình động học của truyền động điện.
(1-15) Điều kiện để ổn định là :
Chữ x đánh trên thể hiện điểm khảo sát tại giao điểm đặc tính cơ của động cơ và máy sản xuất
Trong hình 6 a,b, có ba điểm làm việc ổn định của hệ truyền động là A, B, C, trong khi điểm D lại được xác định là điểm làm việc không ổn định.
Trường hợp : Điểm A: đ 0 và c 2 0 đ c 2 0 ổn định Điểm B: đ 0và c 3 0 nên đ c 3 0 ổn định Điểm C: đ 0 và c 2 0 nên đ c 2 ổn định Điểm D: đ 0 và c 2 0 nên đ c 2 0 không ổn định a b
Hệ truyền động cần được đánh giá điểm làm việc ổn định, với đặc tính cơ động của động cơ 1 thể hiện độ cứng âm đồng đều Đồng thời, động cơ M có đặc tính gẫy 2 đoạn, bao gồm cả độ cứng âm và dương.
1 Chức năng nhiệm vụ của hệ truyền động điện là gì?
2 Hệ truyền động gồm những khâu và những phần tử nào ? Lấy một máy thực tế ở một nhà máy sản xuất mà anh (chị) đã biết
3.Viết biểu thức tính độ cứng đặc tính cơ và nêu ý nghĩa của nó
4 Viết biểu thức đặc tính cơ của máy sản xuất, lấy ví dụ đặc tính cơ của máy sản xuất trong thực tế và vẽ dạng đặc tính của nó
5 Thế nào là mô men cản thế năng ? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị tốc độ ? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản thế năng
6 Thế nào là mô men cản phản kháng ? Lấy ví dụ cơ cấu có mô men cản phản kháng
7 Nêu các trạng thái làm việc của truyền động điện
8 Viết các biểu thức tính qui đổi mô men cản, lực cản, mô men quán tính, khối lượng quán tính về trục động cơ
9 Thành lập phương trình động học của truyền động điện và nêu điều kiện để hệ tăng tốc, hệ giảm tốc, hệ làm việc ổn định
10 Nêu điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện, lấy ví dụ và phân tích
1 Một hệ thống TĐĐ có dạng đặc tính cơ như hình vẽ (Hình 1.7, Hình 1.8) Hãy xác định điểm làm việc ổn định của hệ ?
2 Một hệ thống truyền động điện dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập kéo phụ tải quạt gió Đặc tính cơ của tải có phương trình
M Đặc tính cơ của động cơ đã cho trên hình (Hình 1.9) Hãy xác định điểm làm việc ổn định của hệ thống bằng phương pháp đồ thị ω(rad/s)
Hình 1.9 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
3 Xác định mô men cản và mô men quán tính của tải trọng và dây cáp quy đổi về trục động cơ biết rằng cơ cấu nâng hạ có sơ đồ động học tương tự như trên hình 1-5 trong đó bộ truyền lực gồm 2 cặp bánh răng có tỷ số truyền của từng cặp là i1= i2= 8, trọng lượng của vật nâng là G = 20KN, trọng lượng dây cáp là Gc = 10%G; tốc độ nâng v m/s; hiệu suất mỗi cặp bánh răng 1 = 2 = 0,95; hiệu suất của tang trống tời t 0,92; đường kính trống tời Dt = 0,4m.
ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Khái niệm chung
Quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ điện: = f(M) hoặc n = f(M)
Quan hệ giữa tốc độ và mô men của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy sản xuất : = f(MC) hoặc nC = f(MC)
Các dạng đặc tính cơ trên có thể biểu diễn ở dạng hàm thuận hoặc hàm ngược, ví dụ = f(M) hoặc M = f()
Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ, được biểu diễn qua các phương trình như = f(I) hoặc n = f(I).
Trong các biểu thức trên :
- tốc độ góc đơn vị rad/s n- tốc độ quay đơn vị vòng/ phút
M- mô men đơn vị Nm
Trong nhiều trường hợp, để đơn giản hóa tính toán hoặc so sánh và đánh giá các chế độ làm việc của truyền động điện, người ta sử dụng đơn vị tương đối Để biểu diễn một đơn vị dưới dạng tương đối, ta chia trị số của nó cho trị số cơ bản của đại lượng đó Các đại lượng cơ bản thường được chọn bao gồm: đm cb, đm, đm, đm, đm, I, M, R.
Trong hệ đơn vị tương đối, chúng ta sử dụng ký hiệu ‘*’ để biểu thị các đại lượng tương đối, chẳng hạn như điện áp tương đối U* và mômen tương đối M* Một số thông số có thể được tính toán trong hệ thống này.
Tương tự các thông số khác : đm cb đm đm R
Việc chọn các đại lượng cơ bản là tùy ý , sao cho các biểu thức tính toán được đơn giản, thuận tiện như:
Tốc độ cơ bản của động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ hỗn hợp được xác định là tốc độ không tải lý tưởng o Đối với động cơ không đồng bộ và đồng bộ, tốc độ cơ bản là tốc độ đồng bộ 1 Trong khi đó, động cơ kích từ nối tiếp có tốc độ cơ bản là đm.
Tri số điện trở cơ bản là R Cb
Với động cơ điện một chiều: đm đm cb I
Trong đó Uđm điện áp định mức , Iđm là dòng điện định mức
Đối với động cơ điện không đồng bộ thông thường, điện kháng định mức ở mỗi pha rất nhỏ so với tổng trở định mức, do đó có thể coi gần đúng rằng tổng trở Z gần bằng với điện trở cb.
Khi mạch roto đâu sao ta có đm nm cb I
Trong đó E 2 nm là sức điện động ngắn mạch của roto
I 2 đm là dòng điện định mức ở mỗi pha roto
Nếu mạch roto đấu tam giác thì điện trở định mức ở mỗi pha của roto là : cbY cb R
Trọng tâm của môn học chúng ta nghiên cứu đặc tính cơ , trạng thái làm việc , phương pháp khởi động của ba loại động cơ điện thường sử dụng:
- Động cơ điện một chiều
- Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha
- Động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha
Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
2.2.1 Phương trình đặc tính cơ
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều a/ Động cơ kích từ song song; b/ Động cơ kích từ độc lập
Khi nguồn điện một chiều có công suất lớn và điện áp không thay đổi, mạch kích từ được kết nối song song với mạch phần ứng, tạo ra động cơ kích từ song song.
Khi nguồn điện một chiều không đủ công suất, mạch phần ứng và mạch kích từ được kết nối với hai nguồn độc lập, dẫn đến động cơ được gọi là kích từ độc lập.
Trong động cơ điện một chiều, từ thông kích từ luôn vuông góc với dòng điện phần ứng Từ thông () được sinh ra bởi cuộn dây kích từ có dòng điện Ikt Khi áp dụng điện áp U vào phần ứng, cuộn dây phần ứng sẽ có dòng điện I Sự tương tác giữa từ thông và dòng điện này tạo ra lực điện từ trong động cơ.
I tạo thành mô men làm phần ứng quay, phần ứng quay làm cuộn dây của nó cắt từ thông , làm xuất hiện sức điện động
Khi dòng điện I tăng, phản ứng phần ứng cũng tăng, dẫn đến việc từ thông giảm trong động cơ không có cuộn bù Để khắc phục tình trạng này, các máy lớn thường được chế tạo với cuộn bù, trong khi máy nhỏ và trung bình sử dụng cuộn ổn định nối tiếp với cuộn dây cực từ chính, giúp khử phản ứng phần ứng và duy trì từ thông ổn định Trong tính toán, người ta giả thiết rằng phản ứng phần ứng được bù hoàn toàn, tức là từ thông không phụ thuộc vào dòng điện I Theo sơ đồ nguyên lý, phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng có thể được thiết lập.
U = E + (Ru +Rf) I (2-1) trong đó: U - điện áp phần ứng, V
E - sức điện động phần ứng, V
Ru - điện trở mạch phần ứng,
Rf - điện trở phụ trong mạch phần ứng,
Dòng điện mạch phần ứng, ký hiệu A, được xác định bởi công thức Ru = ru + rctf + rb + rct Trong đó, ru là điện trở của cuộn dây phần ứng, rctf là điện trở của cuộn cực từ phụ, rb là điện trở của cuộn bù, và rct là điện trở tiếp xúc của chổi than.
Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
N π p = K (2-2) trong đó : p - số đôi cực từ chính
N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a - số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
- từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb
N π p - hệ số cấu tạo của động cơ ( nó không đổi đối với mỗi loại động cơ) Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n thì:
60 p - hệ số sức điện động của động cơ
Biểu thức (2-4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ
Mặt khác mô men điện từ của động cơ được xác định bởi:
Thay giá trị Ivào (2-4 ) ta được:
Nếu bỏ qua các tổn thất thép thì mô men cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa là Mđt = Mcơ= M
(2-7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Phản ứng phần ứng được bù đủ giúp duy trì từ thông động cơ ổn định, dẫn đến các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ là tuyến tính Đồ thị của các phương trình này được thể hiện dưới dạng đường thẳng trong hình 2.2a và 2.2b.
Hình 2.2 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (a) Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (b)
Theo các đồ thị trên, khi I = 0 hoặc M = 0 ta có:
o được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ
Còn khi = 0 ta có: nm f u
Inm, Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch
Mặt khác, phương trình đặc tính (2-4), (2-7) cũng có thể viết ở dạng:
được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị M
Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối, với điều kiện từ thông là định mức ( = đm)
Trong đó * = /o , I * = I/Iđm, M * = M/Mđm, R * = R/Rcb
(Rcb = Uđm/Iđm được gọi là điện trở cơ bản)
Từ (2-4) và (2-7), ta viết được đặc tính cơ điện và đặc tính cơ đơn vị tương đối:
2.2.2 Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ
Ba tham số chính ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ gồm từ thông động cơ (), điện áp phần ứng (U) và điện trở phần ứng Trong đó, điện trở phần ứng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và khả năng hoạt động của động cơ.
Giả thiết U = Uđm= const và = đm= const
Để thay đổi điện trở trong mạch phần ứng, ta có thể kết nối thêm một điện trở phụ Rf vào mạch Trong tình huống này, tốc độ không tải lý tưởng sẽ được điều chỉnh theo các thông số mới.
0 = const Độ cứng của đặc tính cơ: Rf
Khi Rf càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:
TN có giá trị lớn nhất, cho thấy đặc tính cơ tự nhiên của nó có độ cứng vượt trội so với các đặc tính cơ nhân tạo Trên đồ thị, các giá trị điện trở được sắp xếp theo thứ tự Rf3 > Rf2 > Rf1.
Hình 2.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở ω u)
Khi thay đổi điện trở phụ Rf, ta nhận được đặc tính biến trở như trong hình 2.3 Đối với một phụ tải Mc nhất định, việc tăng Rf dẫn đến giảm tốc độ động cơ, cũng như giảm dòng điện và mô men ngắn mạch Do đó, phương pháp này thường được áp dụng để hạn chế dòng điện khi khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ dưới mức cơ bản Ảnh hưởng của điện áp phần ứng cũng cần được xem xét trong quá trình này.
Giả thiết rằng từ thông và điện trở phần ứng là hằng số, khi điện áp giảm so với điện áp định mức, ta sẽ có các đặc tính cơ khác nhau tương ứng với các điện áp Uđm, U1, U2, U3 và U4, trong đó Uđm > U1 > U2 > U3 > U4.
Hình 2.4 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện áp phần ứng Tốc độ không tải:
U đm Độ cứng đặc tính cơ:
Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ, ta có thể quan sát được đặc tính cơ song song với đặc tính tự nhiên Cụ thể, khi giảm điện áp, mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch của động cơ cũng giảm theo, tương ứng với một phụ tải nhất định Phương pháp này được áp dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ xuống mức thấp hơn tốc độ định mức, đồng thời hạn chế dòng điện khởi động và mômen khởi động.
Giả thiết điện áp phần ứng U= Uđm = const Điện trở phần ứng Ru = cosnt Khi thay đổi dòng điện kích từ I kt động cơ
Trong trường hợp này, tốc độ không tải: đm đm x đm x K
Độ cứng đặc tính cơ:
Do cấu tạo của động cơ điện, việc điều chỉnh giảm từ thông thường xảy ra Khi từ thông giảm, tốc độ góc (ox) tăng lên, trong khi độ từ () lại giảm Điều này dẫn đến sự thay đổi trong đặc tính cơ, với ox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi từ thông giảm.
Ta thấy khi thay đổi từ thông, dòng điện ngắn mạch: const
Mô men ngắn mạch: Mnm= KxInm = var
Đặc tính cơ điện và cơ của động cơ khi giảm từ thông được thể hiện qua hình 2.5a và 2.5b, với các đường đặc tính tương ứng cho các giá trị từ thông đm > 1 > 2.
Hình 2.5 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông
Khi sử dụng mômen tải Mc phù hợp với chế độ làm việc của động cơ, việc giảm từ thông sẽ dẫn đến sự gia tăng tốc độ động cơ vượt quá mức định mức Điều này cho phép chúng ta điều chỉnh tốc độ động cơ lên cao hơn so với tốc độ cơ bản.
2.2.3 Cách vẽ đặc tính cơ a Các đặc tính tự nhiên
Trong phần này ta nêu phương pháp tính toán và vẽ các đường đặc tính của động cơ khi biết các thông số của động cơ
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có đặc điểm nổi bật là cuộn kích từ được nối tiếp với mạch phần ứng, điều này giúp cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít và dễ chế tạo.
Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích từ nối tiếp cho thấy rằng dòng kích từ đồng thời là dòng phần ứng, dẫn đến việc từ thông của động cơ thay đổi theo dòng điện phần ứng.
2.3.1 Phương trình đặc tính cơ
Từ sơ đồ nguyên lý hình 2.15a, ta có:
U = E +I Ru = K +I Ru (2-48) Với Ru = ru + rcf + rct+ rkt
Tổng điện trở của mạch phần ứng bao gồm điện trở của dây quấn phần ứng (rcf), điện trở cuộn dây cực từ phụ (rct), điện trở tiếp xúc của chổi điện (rkt) và điện trở của cuộn dây kích từ.
Sau khi biến đổi ta nhận được :
Trong các phương trình trên từ thông biến đổi phụ thuộc vào dòng điện mạch kích từ theo đặc tính từ hoá (1) trên hình 2.15b
Hình 2.15 trình bày sơ đồ nối dây (a) và đặc tính từ hóa (b) của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Để đơn giản hóa việc thiết lập phương trình các đặc tính, ta giả định rằng từ thông phụ thuộc tuyến tính vào dòng điện kích từ theo công thức (2) = C.Ikt, trong đó C là hệ số tỷ lệ.
Nếu phản ứng phần ứng được bù đủ: = C.I (2-51)
Thế vào phương trình (2-48) ta nhận được:
U (2-52) a) b) trong đó đặt A1 = U/KC, B = R /KC
Biểu thức (2-52) mô tả phương trình đặc tính cơ điện của động cơ, trong khi (2-53) thể hiện phương trình đặc tính cơ của động cơ Các dạng đặc tính này được trình bày trong hình 2-16ab.
Hình 2.16 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Các đặc tính của mạch điện có dạng hyperbol và mềm khi dòng điện nhỏ hơn định mức Tuy nhiên, khi dòng điện lớn, do mạch từ bị bão hòa, từ thông gần như không đổi và đặc tính cơ trở nên gần tuyến tính.
Khi giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0), tốc độ không tải lý tưởng sẽ đạt giá trị vô hạn Tuy nhiên, trong thực tế, do ảnh hưởng của ma sát, tổn thất phụ và hiện tượng từ dư, tốc độ này sẽ bị giới hạn.
d= (2 10) đm nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có giá trị là:
Tốc độ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp thường vượt quá tốc độ định mức, do đó không nên vận hành động cơ này ở chế độ không tải.
Ngoài ra nhìn vào đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và cấu tạo của nó ta có nhận xét:
Động cơ có đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải, cho phép nhận biết sự thay đổi của phụ tải thông qua tốc độ động cơ Tuy nhiên, động cơ này không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu ổn định tốc độ cao, mà nên được sử dụng cho những hệ thống cần điều chỉnh tốc độ theo tải.
Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mô men nhờ vào cuộn kích từ nối tiếp, giúp tăng từ thông động cơ khi dòng điện phần ứng vượt mức định mức Điều này dẫn đến mô men tăng nhanh hơn so với sự gia tăng của dòng điện Do đó, động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải về mô men và khởi động tốt hơn so với động cơ một chiều kích từ độc lập Với những ưu điểm này, động cơ kích từ nối tiếp rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu mô men khởi động lớn và thường xuyên gặp quá tải, như máy nâng chuyển và máy cán thép.
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có khả năng chịu tải ổn định, không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện, nhờ vào việc từ thông chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng Loại động cơ này rất phù hợp cho các ứng dụng trong ngành giao thông, đặc biệt là những hệ thống có đường dây cung cấp điện dài.
2.3.2 Cách vẽ đặc tính cơ
Do mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện I và các đặc tính cơ điện của động cơ, việc vẽ các đặc tính này thường sử dụng phương pháp đồ thị giải tích dựa trên các đường cong thực nghiệm Các động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khe hở không khí và mức độ bão hòa từ tương đối giống nhau, dẫn đến các mối quan hệ giữa tốc độ , mô men M và dòng điện I gần như đồng nhất Đặc tính vạn năng của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp được xác định thông qua các quan hệ * = f(I * ) và M * = f(I * ), được thu thập từ thực nghiệm và thể hiện trên hình 2.17 Phương pháp vẽ đặc tính tự nhiên từ các đặc tính vạn năng cũng được áp dụng trong quá trình này.
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:
Để xác định các giá trị tương ứng của tốc độ và mô men, bước đầu tiên là lấy các giá trị tùy ý của dòng điện tương đối I * 1, I * 2, I * 3, , I * n Dựa vào các đặc tính vạn năng, chúng ta có thể tra cứu các trị số tương ứng là * 1, * 2, , * n cho tốc độ và M * 1, M * 2, , M * n cho mô men.
* Bước 2: Tính đổi các đại lượng tương đối ra các đại lượng tuyệt đối theo các biểu thức:
* Bước 3: Lập bảng các số liệu đã tính toán (Bảng 2-1)
* Bước 4: Dựa vào kết quả tính trên bảng (2-2) ta vẽ được đặc tính cơ điện tự nhiên = f(I) và đặc tính cơ tự nhiên = f(M) như trên hình 2.18
Bảng 2-2 Xây dựng đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Hình 2.18 trình bày cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của động cơ một chiều kích từ nối tiếp Bên cạnh đó, cũng cần vẽ đặc tính biến trở để thể hiện rõ hơn hiệu suất hoạt động của động cơ.
Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên ta có:
Từ phương trình đặc tính cơ điện nhân tạo ta có:
Nếu xét ở cùng một dòng điện thì từ thông trong hai phương trình trên là như nhau nên ta có:
Từ các giá trị I1, I2 In trong khoảng từ 2-55, ta có thể tính toán các giá trị NT1, NT2, NTn với Rf đã biết và ghi lại kết quả vào bảng (2-1) Dựa trên số liệu này, chúng ta có thể vẽ đặc tính cơ điện nhân tạo như trong hình 2.18.
2.3.3 Khởi động và xác định điện trở khởi động
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
2.4.1 Phương trình đặc tính cơ Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay thế một pha của động cơ trên hình 2.25 Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau:
- 3 pha của động cơ là đối xứng
Các thông số của động cơ không thay đổi, không phụ thuộc vào nhiệt độ Điện trở rôto cũng không bị ảnh hưởng bởi tần số dòng điện rôto, và mạch từ không bão hòa dẫn đến điện kháng X1, X2 giữ nguyên giá trị.
Hình 2.25 Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ
- Tổng dẫn mạch từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato động cơ
- Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép
- Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha
Trong đó: Uf1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato
I, I1, I’2 – các dòng điện từ hoá, dòng điện stato và dòng điện rôto đã quy đổi về stato
X, X1 , X’2 - điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato và điện kháng tản rôto đã quy đổi về stato
R, R1, R ’ 2 – các điện trở tác dụng của mạch từ hoá của cuộn dây stato và rôto đã quy đổi về stato s - độ trượt của động cơ: s 1
1- tốc độ góc của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ: 1 p πf 1
Trong đó: f1- tần số của điện áp lưới đặt vào động cơ
- tốc độ góc của động cơ x x
Từ sơ đồ thay thế ta tính được dòng điện stato:
Xnm= X1 + X ’ 2 điện kháng ngắn mạch Biểu thức (2.65) là phương trình đặc tính dòng điện stato và có thể biểu diễn trên hình 2.26.a ω ω1
Hình 2.26 Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ (a) Đặc tính dòng điện roto của động cơ không đồng bộ (b)
I1nm – dòng điện ngắn mạch stato
Dòng điện IM là dòng điện từ hóa, có khả năng tạo ra từ trường quay khi động cơ hoạt động ở tốc độ đồng bộ Đồng thời, chúng ta cũng có thể tính toán dòng điện rôto quy đổi về stato.
Đặc tính dòng điện rôto của động cơ được thể hiện trong hình 2.26.b Để xác định phương trình đặc tính cơ của động cơ, cần dựa vào điều kiện cân bằng công suất, trong đó công suất điện từ được chuyển từ stato sang rôto.
- Mđt là mô men điện từ của động cơ, nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì:
- Công suất Pđt chia thành 2 phần :
Pcơ công suất đưa ra trên trục động cơ,
P2 công suất tổn hao đồng trong rôto:
Thay giá giá trị I ’ 2 đã tính được ở trên vào (3- 9) và biến đổi ta có:
Biểu thức (2-72) mô tả phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, với đặc tính cơ thể hiện qua đường cong như trong hình 2.27a Các điểm cực trị của đường cong có thể được xác định bằng cách giải phương trình =0 ds dM, từ đó xác định được giá trị mô men M và độ trượt s tại các điểm cực trị, ký hiệu là Mth và sth (mô men và độ trượt tới hạn), trong đó sth là giá trị độ trượt tới hạn.
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ được thể hiện qua hai trạng thái: chế độ động cơ và chế độ máy phát Trong đó, Mth ở chế độ máy phát lớn hơn Mth ở chế độ động cơ Khi nghiên cứu các hệ truyền động với động cơ không đồng bộ, người ta thường chú trọng đến trạng thái làm việc của động cơ, vì vậy các đường đặc tính cơ thường được biểu diễn trong khoảng tốc độ 0 ≤ s < sth, như thể hiện trong hình 2.27.b.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể được biểu diễn một cách dễ dàng hơn thông qua việc lập tỉ số giữa hai phương trình (2-72) và (2-74), từ đó cho phép chúng ta biến đổi và thu được phương trình đặc tính cơ mong muốn.
M th th th th th s s a s s s s a M
Trong đó a = R1/ R ’ 2 Đối với động cơ công suất lớn thường R1 rất nhỏ so với Xnm, ta có thể bỏ qua
R1, nghĩa là coi R1= 0, asth = 0 và (2-75) có dạng gần đúng:
M 2 th th th (2-76) trong đó: sth X nm
Nhiều trường hợp cho phép sử dụng các đặc tính gần đúng thông qua việc tuyến tính hóa các đặc tính trong đoạn làm việc Ví dụ, khi tỉ số s/sth nhỏ, có thể coi s/sth = 0 Lúc này, phương trình đặc tính cơ trở nên đơn giản hơn.
Nó chính là đường tiếp tuyến với đặc tính cơ tại điểm đồng bộ 1, đường 1 trên hình 2-27.b
Cũng có thể tuyến tính hoá đoạn làm việc qua điểm định mức, đường 2 trên hình 2-27.b Phương trình gần đúng là:
Từ dạng đặc tính cơ hình 2.27.b ta thấy độ cứng đặc tính cơ biến đổi cả về trị số và dấu tuỳ theo điểm làm việc
Với đặc tính tuyến tính, đường 1 hình 2.27.b
Tương tự đặc tính tuyến tính hoá đường 2 hình 2.27.b
Đoạn làm việc của đặc tính cơ động cơ không đồng bộ có giá trị âm và gần như không thay đổi Đối với đoạn đặc tính khi s > sth, khi s >> sth, ta có thể bỏ qua sth/s, và phương trình đặc tính cơ sẽ được đơn giản hóa.
Trong đoạn này độ cứng là dương và có giá trị bíên đổi động cơ không đồng bộ không làm việc trên đoạn này
2.4.2 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ
Từ phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ, ta thấy các tham số ảnh hưởng bao gồm:
- Ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato (nối thêm điện trở phụ Rf và X1f vào mạch stato)
- Ảnh hưởng điện trở mạch rôto (nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rôto với động cơ rôto quấn dây)
- Ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cung cấp cho động cơ
- Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới điện cấp cho động cơ f1
Việc thay đổi số đôi cực của động cơ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ đồng bộ mà còn làm thay đổi các đặc tính cơ học, đặc biệt là trong trường hợp động cơ có nhiều cấp tốc độ Hơn nữa, suy giảm điện áp cung cấp cho động cơ cũng có thể gây ra những tác động đáng kể đến hiệu suất và hoạt động của nó.
Khi điện áp lưới giảm, mô men tới hạn cũng giảm theo bình phương độ suy giảm điện áp, trong khi tần số và chiều quay giữ nguyên Đặc tính cơ của động cơ thể hiện sự thay đổi theo các mức điện áp khác nhau, với điện áp giảm, mô men ngắn mạch cũng giảm, phù hợp với phụ tải bơm và quạt gió, nhưng không thích hợp cho tải không đổi Đối với động cơ công suất lớn, để hạn chế dòng điện khởi động, người ta áp dụng phương pháp tăng dần điện áp vào động cơ.
Hình 2.28 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp b Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch stato
Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato R1f hoặc X1f thì tốc độ
1 = const, sth giảm, Mth giảm nên đặc tính cơ có dạng như hình 2.29 a.b a/ b/
Hình 2.29 Sơ đồ nối điện trở phụ ( hoặc điện kháng phụ) trong mạch stato (a) Đặc tính cơ khi nối điện trở (hoặc điện kháng phụ trong mạch stato (b)
Khi cần tạo ra đặc tính có mô men khởi động Mnm tương đương, đặc tính cơ với Xf sẽ cứng hơn so với đặc tính cơ với Rf trong mạch stato của động cơ.
Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được R1f hoặc X1f trong mạch stato khi khởi động hình 2.30 c/
Hình 2.30.a) Tam giác tổng trở ngắn mạch tự nhiên b) Tam giác tổng trở ngắn mạch thêm R1f c) Tam giác tổng trở ngắn mạch thêm X1f
Giả sử cần hạn chế dòng điện khởi động từ Inm ứng với đặc tính tự nhiên đến dòng I ’ nm ứngvới đặc tính có R1f hoặc X1f trong mạch stato :
I ’ nm = Inm ( < 1) còn M ’ nm = 2 Mnm
Tương ứng trong tam giác tổng trở ngắn mạch: Z ’ nm α
Rnm được tính bằng tổng R1 và R'2, trong khi Znm là tổng bình phương của R1 và R'2 cộng với bình phương của Xnm Để thay đổi số đôi cực trong stato, cần thay đổi cách đấu dây, điều này chỉ khả thi khi động cơ không đồng bộ được thiết kế với nhiều nhóm dây cho mỗi pha.
Khi thay đổi số đôi cực p, tốc độ động cơ 1 sẽ thay đổi, trong khi độ cứng đặc tính cơ sth vẫn giữ nguyên Tuy nhiên, việc thay đổi p yêu cầu điều chỉnh cách đấu dây ở stato, dẫn đến sự thay đổi của một số tham số như Uf, R1, X1 Do đó, ảnh hưởng đến mô men tới hạn Mth của động cơ sẽ khác nhau tùy theo từng trường hợp.
= p p 2 1 và Mth = const trên hình 2.31.a Đặc tính cơ khi thay đổi p (
Hình 2.31 a) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ
Động cơ không khí có đặc tính cơ học ổn định với số đôi cực không đổi (P1 = const) Để hạn chế dòng điện khởi động và điều chỉnh tốc độ, người ta thường thêm điện trở phụ vào mạch rôto của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn.
Khi đưa R2f vào rôto thì:
1 = const ; Mth = const ; sth nm
Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ là lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng truyền động công suất trung bình và lớn, đặc biệt khi yêu cầu về ổn định tốc độ cao Chúng thường được sử dụng trong máy bơm, quạt gió, hệ truyền động máy luyện kim và làm động cơ sơ cấp trong tổ máy phát - động cơ công suất lớn Ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ bao gồm độ ổn định tốc độ cao, hệ số cosφ và hiệu suất vượt trội, cùng với khả năng vận hành đáng tin cậy.
Mạch stato của nó tương tự động cơ không đồng bộ, mạch rôto có cuộn kích từ và các cuộn dây khởi động
2.5.1 Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ
Khi đóng stato vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ = 2 f1/p
Trong phạm vi mô men cho phép M Mmax, đặc tính cơ là tuyệt đối cứng, đặc tính cơ có độ cứng , trên hình 2 44.b
Động cơ đồng bộ hoạt động theo nguyên lý được mô tả trong sơ đồ hình 2.44 Khi mô men vượt quá giá trị Mmax, động cơ sẽ mất đồng bộ và tốc độ không còn ổn định.
Trong hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ, đặc tính góc M f() thể hiện mối quan hệ giữa mô men và góc lệch của véc tơ điện áp pha cũng như véc tơ sức điện động cảm ứng trong dây quấn stato Đặc tính này được xây dựng dựa trên đồ thị véc tơ của mạch stato, với giả thiết bỏ qua điện trở của stato, như minh họa trong hình 2.45.
Hình 2.45 Đồ thị véc tơ mạch stato động cơ đồng bộ
U1- điện áp pha của lưới ,V
E - sức điện động pha stato,V
Xs - điện kháng pha stato bằng tổng điện kháng mạch từ hoá X và điện kháng cuộn dây một pha của stato Xs = X + X1
- góc lệch pha giữa U và E - góc lệch pha giữa véc tơ điện áp U1 và dòng điện I1 hình 2.45
- góc lệch pha giữa véc tơ điện áp U1 và dòng điện I1
Từ đồ thị véc tơ ta có: U1cos = E cos ( - ) (2.115)
Theo tam giác ABC: cos ( - ) S
Thay vào phương trình trên ta được:
U1I1cos là công suất một pha của động cơ Vậy công suất 3 pha và mô men của động cơ là:
1 (2.120) Đây là phương trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ
Một cách gần đúng đặc tính góc có dạng sin trên hình 2- 46 (đường M1) Khi
Hình 2.46 Đặc tính góc của động cơ đồng bộ
Mm biểu thị khả năng quá tải của động cơ Khi tải tăng, góc lệch cũng tăng, và nếu lớn hơn /2 thì mô men sẽ giảm Động cơ đồng bộ thường hoạt động ở mức định mức với góc lệch từ 20 độ đến 25 độ.
Hệ số quá tải về mô men là :
Động cơ đồng bộ cực ẩn chỉ tạo ra mô men khi có kích từ vào mạch rôto, trong khi động cơ đồng bộ cực lồi gặp phải mô men khản kháng phụ do sự phân bố không đều của khe hở không khí giữa rôto và stato Phương trình đặc tính cơ của loại động cơ này sẽ có dạng khác biệt.
Xd, Xq là điện kháng dọc trục và ngang trục Đường cong biểu diễn M là tổng của 2 thành phần:
Trên đồ thị đặc tính góc, M1 và M2 được thể hiện bằng đường nét đứt, trong đó khi máy cực ẩn có Xq = Xd, M2 sẽ bằng 0 và M sẽ bằng M1 Tuy nhiên, M2 thường rất nhỏ và có thể được bỏ qua, dẫn đến đặc tính góc của động cơ cực ẩn và cực lồi trở nên giống nhau.
2.5.2 Khởi động và hãm động cơ đồng bộ
Mạch rôto của động cơ đồng bộ bao gồm hai cuộn dây: một cuộn kích từ để tạo ra từ trường quay và một cuộn khởi động kiểu lồng sóc cùng với dây quấn Quá trình khởi động động cơ này đòi hỏi sự kết hợp hiệu quả giữa hai cuộn dây để đảm bảo hoạt động ổn định.
Quá trình khởi động động cơ đồng bộ gồm 2 giai đoạn :
Trong giai đoạn thứ nhất, động cơ được đấu vào nguồn điện xoay chiều, trong khi cuộn kích từ được đóng kín qua điện trở hạn chế Rhc nhằm ngăn ngừa quá áp do sức điện động cảm ứng sinh ra Giá trị của Rhc được xác định trong khoảng (8 10) Rkt Trong giai đoạn này, động cơ đồng bộ khởi động giống như động cơ không đồng bộ, như thể hiện trong đặc tính khởi động ở hình 2.47.
Đặc tính khởi động của động cơ đồng bộ được thể hiện qua hai đường biểu diễn: Đường 1 cho động cơ có cuộn dây khởi động với điện trở nhỏ và Đường 2 cho động cơ có cuộn dây khởi động với điện trở lớn Nhận thấy rằng, khi mô men khởi động Mnm lớn hơn thì mô men vào đồng bộ Mcđ lại nhỏ hơn, và ngược lại.
Cuối giai đoạn thứ nhất, khi đạt 95% đến 98% tốc độ đồng bộ, cần đưa dòng kích từ vào rôto để tạo ra mô men, giúp động cơ đạt tốc độ đồng bộ Giai đoạn này rất quan trọng, vì nếu không đạt được tốc độ đồng bộ, động cơ sẽ hoạt động ở trạng thái không đồng bộ, dẫn đến cuộn khởi động bị quá nhiệt và có nguy cơ cháy.
Trong một số trường hợp đặc biệt còn có thể khởi động động cơ đồng bộ bằng phương pháp sau:
Khởi động trực tiếp động cơ bằng cách kết nối stato với lưới điện ở điện áp định mức ngay từ đầu là phương pháp hiệu quả, nhưng chỉ phù hợp cho động cơ có công suất nhỏ hoặc động cơ với điện áp cao.
Khởi động gián tiếp có thể thực hiện bằng cách kết nối stato vào lưới thông qua điện kháng phụ xf hoặc biến áp tự ngẫu, nhằm hạn chế dòng điện khởi động Sau đó, tiến hành ngắn mạch chúng Giá trị của xf được xác định dựa trên mô men hoặc dòng điện khởi động cần phải hạn chế.
U (2-125) trong đó: Mkđđm , Ikđđm –mô men và dòng điện khởi động ứng với điện áp stato định mức
Mkđ , Ikđ mô men và dòng điện khởi động với Ukđ < Uđm
Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây stato thì điện kháng pha stato có thể được xác định:
Với dòng điện khởi động cần hạn chế là Ikđ , khi đó ta xác định trị số điện kháng phụ:
Cũng có thể xác định Xf từ mô men khởi động cần hạn chế
M - 1) (2-128) b Trạng thái hãm động cơ đồng bộ
- Đối với động cơ điện đồng bộ thường dùng phương pháp sau:
Để hãm động năng của động cơ đang quay, ta cần cắt stato khỏi lưới xoay chiều và kết nối vào điện trở phụ ba pha, trong khi rôto vẫn tiếp tục được kích từ như trước.
Sơ đồ nguyên lý khi hãm động năng động cơ đồng bộ trên hình 2.48
Hình 2 48 Sơ đồ nguyên lý hãm động năng động cơ đồng bộ
+- Đặc tính cơ hãm động năng có dạng như động cơ không đồng bộ khi hãm động năng kích từ độc lập
Hãm tái sinh động cơ đồng bộ diễn ra khi động cơ hoạt động trong góc phần tư thứ II của đặc tính cơ (M, ), như thể hiện trong hình 2.44.b Trong giai đoạn này, động cơ đồng bộ chuyển đổi cơ năng thành điện năng và trả về lưới điện.
Bài 2-1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có : Pđm= 4,4kw, Uđm = 220V, nđm= 1500v/ph, ηđm = 0,85
Yêu cầu xác định các thông số sau :
- Từ thông định mức (hoặc KФđm)
- Dòng điện phần ứng định mức : Iđm
- Momen cơ định mức Mđm.
- Điện trở phần ứng Ru và Ru *
- Điện trở định mức Rđm
- Độ sụt tốc tương ứng với tải định mức ∆ωc và ∆ωc *
- Tốc độ không tải lý tưởng ω0
- Dòng điện ngắn mạch Inm
- Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên β và β *
- Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên,
- Xây dựng các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở phần ứng :
- Xây dựng đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng U1 = 150V, U2 = 110V
Để xây dựng đặc tính hãm động năng, cần xác định tốc độ hãm ban đầu bằng tốc độ định mức Dòng điện hãm ban đầu nên được thiết lập ở mức 2 đến 2,5 lần dòng điện định mức Ngoài ra, việc tính toán điện trở hãm cũng rất quan trọng trong quá trình này.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Tính điện trở phần ứng Ru và Ru * và Rđm :
Lại có : n đm rad s đm 157 /
Tính tốc độ không tải ω0 và độ sụt tốc độ tương ứng tải định mức ∆ωc và ∆ωc *: rad s
- Đặc tính cơ tự nhiên :