Bài giảng Truyền động điện

Các bộ biến đổi điện tử công suất được chế tạo hoàn chỉnh ứng dụng khoa học tiên tiến và phương pháp tính để điều chỉnh tốc độ động cơ đáp ứng yêu cầu công nghệ, đạt chất lượng cao, tiết

Bộ lao động thương binh và xã hội Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định

tập bài giảng truyền động điện

Nam định 2011

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Vì vậy các hệ truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hóa cao

Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử công suất, tin học các hệ truyền động điện được phát triển và thay đổi một cách đáng kể Các bộ biến đổi điện tử công suất được chế tạo hoàn chỉnh ứng dụng khoa học tiên tiến và phương pháp tính để điều chỉnh tốc độ động cơ đáp ứng yêu cầu công nghệ, đạt chất lượng cao, tiết kiệm năng lượng, giảm kích thước và hạ giá thành của hệ

Ở nước ta, do yêu cầu công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế, ngày càng xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất mới có mức độ tự động hóa cao với những hệ truyền động hiện đại Nghiên cứu các hệ truyền động, đó là nghiên cứu và phân tích các đặc tính cơ của động cơ, máy sản xuất và các phương pháp điều chỉnh tốc độ đang ứng dụng để truyền động cho các cơ cấu của máy công nghiệp

Để thống nhất nội dung giảng dạy, có tài liệu nghiên cứu cho các giảng viên và sinh viên Bộ môn Kỹ thuật điều khiển đã biên tập bài giảng môn học truyền động điện Môn học chia 4 chương:

- Chương 1: Những khái niệm cơ bản về hệ truyền động điện

Nội dung chính xây dựng được cấu trúc của hệ truyền động điện, đặc tính cơ của động

cơ điện, độ cứng của đặc tính cơ, đặc tính cơ của máy sản xuất, phương trình động học của truyền động điện

- Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện

Xây dựng được phương trình đặc tính cơ của các động cơ điện một chiều kích từ độc lập , kích từ nối tiếp, động cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ, nêu ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ

- Chương 3: Điều chỉnh tốc độ truyền động điện

Vẽ được sơ đồ nguyên lý, xây dựng được các phương trình đặc tính, đặc tính làm việc của các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập, động

cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ

- Chương 4: Tính toán và chọn công suất động cơ điện trong truyền động điện Nêu được các điều kiện chung để tính toán và chọn công suất động cơ cho truyền động điện, các chế độ làm việc của truyền động điện, tính chọn và kiểm nghiệm công suất động cơ điện cho các chế độ làm việc khác nhau

Với kinh nghiệm giảng dạy, kiến thức tích lũy nhiều năm, các tác giả đã cố gắng biên tập nội dung môn học những kiến thức cơ bản nhất, nhưng vẫn cập nhật được với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, với thực tế sản xuất, các hệ thống truyền động đang trang bị điện cho các máy trong công nghiệp Các nội dung chi tiết của từng chương trình bày từ đơn giản đến phức tạp, từ các khâu đến tổng thể và có câu hỏi ôn tập, bài tập giải mẫu, bài tập tự giải của cuối chương, tạo điều kiện cho sinh viên tự học Phần cuối tập bài giảng có hướng dẫn thiết kế và tính chọn hệ truyền động, tạo điều kiện cho sinh viên nghiên cứu thiết kế các chuyên đề về truyền động điện trong thực tế và làm đồ án tốt nghiệp

Tập giáo trình được biên soạn theo hướng mở, kiến thức rộng và chỉ ra tính ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất đang điều chỉnh tốc độ trong các máy công nghiệp Tập giáo trình được dùng để làm tài liệu để giảng dạy hoàn chỉnh kiến thức cho các bậc cao đẳng lên đại học, làm tài liệu nghiên cứu của các cán bộ kỹ thuật đang trực tiếp sản xuất

Trong quá trình biên soạn, tác giả đã hết sức cố gắng tham khảo nhiều nguồn tài liệu, cập nhật các kiến thức mới về điều khiển truyền động hiện đại, trao đổi ý kiến chuyên môn với các bạn đồng nghiệp, song vẫn hạn chế về thông tin và khả năng nên nội dung không tránh khỏi thiếu sót Rất mong các thầy, cô giáo, bạn đọc đóng góp để nhóm tác giả hoàn thiện tốt hơn Nội dung đống góp xin giử về bộ môn Kỹ thuật điều khiển – Khoa điện trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam định

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 6

1.1 Cấu trúc chung và phân loại 12

1.2 Khái niệm chung về đặc tính cơ của động cơ điện 13

1.3 Đặc tính cơ của máy sản xuất 14

1.4 Trạng thái làm việc của truyền động điện 15

1.5 Qui đổi mômen cản , lực cản và mômen quán tính, khối lượng quán tính 17

1.6 Phương trình động học của truyền động điện 20

1.7 Điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện 21

CÂU HỎI ÔN TẬP, BÀI TẬP 17

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 19

2.1 Khái niệm chung 19

2.2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập 20

2.2.1 Phương trình đặc tính cơ 20

2.2.2 Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ 24

2.2.3 Cách vẽ đặc tính cơ 27

2.2.4 Khởi động và tính toán điện trở khởi động 30

2.2.5 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm 36

2.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 42

2.3.1 Phương trình đặc tính cơ 43

2.3.2 Cách vẽ đặc tính cơ 45

2.3.3 Khởi động và xác định điện trở khởi động 47

2.3.4 Trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp 48

2.4 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 52

2.4.1 Phương trình đặc tính cơ 53

2.4.2 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ 57

2.4.3 Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ biến trở 62

2.4.4 Khởi động và cách xác định điện trở khởi động 65

2.4.5 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm 67

2.5.Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ 77

2.5.1 Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ 77

2.5.2 Khởi động và hãm động cơ đồng bộ 82

CHƯƠNG 3 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 97

3.1 Các chỉ tiêu cơ bản đánh giá chất lượng hệ thống truyền động điện 97

3.3.1 Sai số tốc độ 97

3.1.2 Dải điều chỉnh tốc độ 97

3.1.3 Độ trơn của điều chỉnh tốc độ 98

3.1.4 Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải 99

3.1.5 Chỉ tiêu kinh tế 99

3.1.6 Các chỉ tiêu khác 99

3.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 99

3.2.1 Khái niệm chung 99

3.2.2 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng 100

3.2.3 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ 104

3 2.4 Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ) 105

1 Cấu trúc hệ F-Đ 105

2 Các chế độ làm việc của hệ F-Đ 106

3 Đặc điểm của hệ F-Đ 108

3.2.5 Hệ thống khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ) 108

1 Khái niệm chung 108

2 Hệ thống KĐT - Đ dùng khuếch đại từ một pha 111

3 Hệ thống KĐT - Đ dùng KĐT 3 pha 112

4 Đặc tính cơ của hệ thống KĐT-Đ 112

5 Hệ thống KĐT-Đ có phản hồi, có chuyển dịch 113

3.2.6 Hệ thống chỉnh lưu – động cơ điện một chiều 114

1 Khái quát chung 114

2.Đặc tính cơ của hệ truyền động chỉnh lưu tiristo- động cơ một chiều……….156

3.Truyền động tiristo- động cơ một chiều (T-Đ) có đảo chiều quay………… 159

4 Tính chọn các phần tử cơ bản trong hệ thống T-Đ 129

5 Đặc điểm của hệ thống T-Đ 132

3.2.7 Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA-Đ) 132

1 Điều chỉnh xung áp mạch đơn 132

2 Điều chỉnh xung áp đảo chiều 136

3.2.8 Ổn định tốc độ làm việc của truyền động điện một chiều .139

1 Khái quát chung 139

2 Điều chỉnh Eb theo dòng tải 140

3 Điều chỉnh Eb theo điện áp phần ứng 141

4 Điều chỉnh Eb theo tốc độ động cơ 142

3.2.9 Hệ truyền động điều chỉnh tự động 144

1 Sơ đồ nguyên lý hệ CL-Đ tự động dùng bộ khuếch đại tổng 144

2 Sơ đồ nguyên lý hệ CL-Đ tự động có điều chỉnh độc lập các toạ độ kiểu nối tiếp 145

3.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 146

3.3.1 Khái quát điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 146

3.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ 147

3.3.3 Điều chỉnh điện áp động cơ 151

3.3.4 Điều chỉnh điện trở mạch roto 158

3.3.5 Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ 160

3.3.6.Điều chỉnh công suất trượt 195

3.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 202

3.4.1 Điều chỉnh tốc độ và mômen 203

3.4.2 Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 206

BÀI TẬP VÀ CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 207

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 218

4.1 Khái niệm chung về tính toán và chọn công suất động cơ điện 218

4.2.Các chế độ làm việc của truyền động điện 219

4.3.Chọn công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ 220

4.3.1 Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn 220

4.3.2 Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn 221

4.3.3 Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại 224

4.4 Tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ 226

4.5 Kiểm nghiệm công suất động cơ 228

4.6 Hướng dẫn trình tự các bước thiết kế đồ án môn học truyền động điện 237

4.6.1 Khái quát chung 237

4.6.2 Trình tự các bước khi thiết kế 282

CÂU HỎI ÔN TẬP 237

TÀI LIỆU THAM KHẢO 248

CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1 C ẤU TRÚC CHUNG VÀ PHÂN LOẠI

Hệ thống truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện 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 hệ truyền động điện, được trình bày trên hình1.1, bao gồm 2 phần chính:

- Phần lực là bộ biến đổi và động cơ truyền động Các bộ biến đổi thường dùng là bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều, xoay chiều), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa), bộ biến đổi điện tử ( chỉnh lưu tiristo, biến tần tranzitor, thyristor) Động cơ điện có các loại: động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ, không đồng bộ và các loại động cơ điện đặc biệt (động cơ bước, động cơ servo AC, servo DC)

- Phần 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 con người vận hành Đồng thời một số hệ thống truyền động có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong một dây truyền sản xuất

Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, không phải hệ thống truyền động nào cũng có đầy đủ cấu trúc như vậy Cho nên có thể phân loại hệ thống truyền động như sau:

- 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: trong loại này tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mô men, lực kéo

và truyền động điều chỉnh vị trí Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh có thể là truyền động nhiều động cơ Ngoài ra tùy thuộc vào cấu trúc và tín hiệu điều khiển ta

có được hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự hoặc truyền động điều khiển theo chương trình v.v

1.2 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mô men của động

cơ Ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu như động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ) Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị (M đm,đm) Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ  và được tính:

Trong đó M là mômen động cơ,  là tốc độ động cơ

Độ cứng có giá trị lớn ta có đặc tính cơ cứng,  có giá trị nhỏ đặc tính cơ mềm,   đặc tính cơ tuyệt đối cứng

Truyền động có đặc tính cơ cứng tốc độ thay đổi rất ít khi mô men biến đổi lớn Truyền động có đặc tính cơ mềm tốc độ giảm nhiều khi mô men tăng (xem hình.1-2)

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

1.3 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:

(1) (2)

(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

- 1, mô men tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, thực tế rất ít gặp, về loại này có thể lấy ví dụ máy phát điện một chiều tải thuần trở (đường 2, 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)

- 1, mô men tỷ lệ nghịch với tốc độ, các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, các truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại có đặc tính thuộc loại này (đường 4, hình 1.3a)

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

- Mô men phụ thuộc vào góc quay của M c  f() hoặc mô men 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 cơ thuộc loại này

- 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)

1.4 TR ẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

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



M

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

Ngược lại, công suất điện 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 mô men động

cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay

Mômen của máy sản xuất được gọi là mô men phụ tải hay mô men cản Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mô men của động cơ

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

P P

Trong đó : Pđ : công suất điện

Pc: công suất cơ  P: tổn thất công suất

Tùy 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, (xem bảng 1-1)

Bảng 1-1 Trạng thái làm việc của truyền động điện

Biểu đồ công suất Pđ Pcơ P Trạng thái làm

- 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 ; ở góc phần

tư I, II: trạng thái động cơ, góc phần tư II, IV: trạng thái hãm ( xem Hình 1.4)

P



c P

P



c P

P



đ

P

Hình 1.4 Trạng thái làm việc của truyền động điện trên các góc phần tư đặc tính

1.5 QUI ĐỔI MÔMEN CẢN , LỰC CẢN VÀ MÔ MEN QUÁN TÍNH, KHỐI LƯỢNG QUÁN TÍNH

Trên hình 1.5 mô tả cấu trúc cơ học tổng quát của truyền động, mỗi một cơ cấu của truyền động đều có các đại lượng , M, v, F và mô men quán tính J Để dễ dàng cho việc nghiên cứu và tính toán, người ta thường tính quy đổi tất cả các đại lượng đó

về trục động cơ Nguyên tắc của tính toán quy đổi là đảm bảo năng lượng của hệ trước sau khi quy đổi không thay đổi

a) 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 M

i t cqđ

1

t i

c đ cqđ

V F M





1

(4)

t t

t ; ω ; M J

V,F G

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 J1 J K, mô men quán tính tang trống

2

.

2

2

2

.

2 2

2 2

1 1

2 2

V m J

J J

1

m i

J i

J J

J

t t k

k

k đ

Ví dụ 1-1: Xác định mô men cản và mô men quán tính của tải trọng và dây cáp qui đổi

về trục động cơ biết cơ cấu nâng hạ có sơ đồ động học giống như hình 1-5 Trong đó

bộ truyền gồm 2 cặp bánh răng có tỷ số truyền của từng cặp i1 = i2 = 5, trọng lượng của vật nâng G = 10KN, trọng lượng dây cáp Gc = 10%; tốc độ nâng v = 16,5m/s; hiệu

suất mỗi cặp bánh răng 1 = 2 = 0,95; hiệu suất tang trống tời t = 0,93; Đường kính trống tời Dt= 0,6m

Giải:

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;

 = 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:

kg

G

81,9

1100081

D

v n



 60.

t t

D

v 

2

60

v t

t t

133,36,0

t t

125,8333,3.25

2 2

25,83

1.1121

1.6 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Phương trình cân bằng năng lượng của truyền động điện :

dW dt

d J

c

M

M  thì

dt d< 0 hệ giảm tốc

c

M

dt d

= 0 hệ làm việc ổn định

Phương trình (1-14) mô tả quá trình quá độ về cơ của hệ truyền động điện Có thể giải

nó bằng phương pháp giải tích, đồ thị hoặc số tùy theo đặc tính cơM() và M c()

1.7 ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Như ở phần 1.6 đã nêu, khi M  Mc thì hệ truyền động làm việc ổn định Điểm

làm việc ổn định là giao điểm của hai đặc tính cơ của động cơ M và của máy sản xuất M c Tuy nhiên không phải với bất kỳ động cơ nào cũng có thể làm việc với các loại tải mà nó phải có điểm giao nhau do thỏa mãn điều kiện ổn định, người ta 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:

) (

) ( )

X

M M

M M

Trên hình 6 a,b xét các điểm làm việc ổn định của hệ truyền động

Ở tại điểm khảo sát ta xét thấy 3 điểm A, B, C là điểm làm việc ổn định, còn điểm D

là điểm làm việc không ổn định

a b

Hình 1.6 Xét điểm làm việc ổn định của hệ truyền động

a) Đặc tính cơ động cơ 1 trơn đều độ cứng âm b) Đặc tính cơ động cơ M gẫy 2 đoạn độ cứng âm và dương

CÂU HỎI ÔN TẬP

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

ω

M §

M C A

M

ω

M §

M C B

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)

A

M(N, m)

155 165 m

ω®

100 200 300 400

M ®m

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=10 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

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1 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( )

Ngoài đặc tính cơ đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặc tính

cơ điện Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động

cơ :  = f(I) hay 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 trong tính toán hoặc dễ dàng so sánh, đánh giá các chế độ làm việc của truyền động điện người ta có thể dung đơn vị tương đối Muốn biểu diễn một đơn vị nào đó dưới dạng tương đối ta lấy trị số của nó chia cho trị số cơ bản của đại lượng đó Các đại lượng cơ bản thường được chọn là :

cb đm

đm đm

đm

R R M

M M

Tri số điện trở cơ bản là R Cb

Với động cơ điện một chiều:

đm

đm cb

I

U

R 

Trong đó Uđm điện áp định mức , Iđm là dòng điện định mức

Với động cơ điện không đồng bộ thông thường điện kháng định mức ở mỗi pha rất nhỏ so với tổng trở định mức nên ta có thể coi gần đúng là :

I

E R

2

2 2

.3



Trong đó E2nm là sức điện động ngắn mạch của roto

đm

I2 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 :

- Động cơ điện một chiều

- Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

- Động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha

2 2 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 vô cùng lớn và điện áp nguồn không thay đổi thì mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi

là kích từ song song (Hình 2.1a)

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (Hình 2.1b), lúc này 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  do cuộn dây kích từ Ckt có dòng điện Ikt sinh ra Khi đặt vào phần ứng điện áp U trong cuộn dây phần ứng có dòng điện phần ứng I Tương tác giữa  và

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

Như đã biết khi dòng điện I tăng thì phản ứng phần ứng tăng, cho nên đối với động cơ không có cuộn bù thì từ thông  sẽ giảm Trong thực tế các máy lớn người ta chế tạo có cuộn bù, đối với máy nhỏ và trung bình thì có cuộn ổn định nối tiếp với cuộn dây cực từ chính, chúng đều có tác dụng khử phản ứng phần ứng và giữ cho  không đổi Trong tính toán người ta giả thiết là phản ứng phần ứng được bù hoàn toàn,

có nghĩa là  không phụ thuộc vào I Theo sơ đồ nguyên lý (Hình 2.1) ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

U = E + (Ru +Rf) I (2-1) trong đó: U - điện áp phần ứng, V

rct - điện trở tiếp xúc của chổi than

Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

E =

a2

Nπ

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

 - tốc độ góc, rad/s

K =

a2

Nπ

n60

n

2π 

a60

Np.n = Ken (2-3)

K = 0,105K

Từ (2-1) và (2-2) ta có:

K

R R K

Mặt khác mô men điện từ của động cơ được xác định bởi:

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

  K M

R R K

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

Phản ứng phần ứng được bù đủ nên từ thông động cơ  = const, các phương trình đặc tính cơ điện (2-4) và phương trình đặc tính cơ (2-7) là tuyến tính Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình (Hình 2.2a) và (Hình 2.2b) là những đường thẳng

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:

 =

 K

U

= o (2- 8) o được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

Còn khi  = 0 ta có:

nm f

u

I R R

R K

U

2

) Φ (



 = o -  (2-11)

M K

R K

U

2

) Φ (

 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)

Từ (2-4) và (2-7), ta viết được đặc tính cơ điện và đặc tính cơ đơn vị tương đối:

*= 1 – R*I* (2-13)

*= 1 – R*M* (2-14)

2.2.2 Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ

Từ (2-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ , điện áp phần ứng U và điện trở phần ứng động cơ Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số

a Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thiết U = Uđm= const và  = đm= const

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

đm K M







2)Φ(Δω

đm

KΦ )2(



TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đặc tính cơ có điện trở phụ (đặc tính cơ nhân tạo) Trên đồ thị biểu diễn với các giá trị điện trở khác nhau 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

)uTN(R0

ω

M

1 fR

2 fR

3 fR

o

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được họ đặc tính biến trở có dạng như (hình 2.3) Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch càng giảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện khi khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản

b Ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Giả thiết từ thông  = đm = const, điện trở phần ứng Ru = const Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm ta có các đặc tính cơ ứng với các điện áp khác nhau 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:

= const

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được họ đặc tính cơ song song với đặc tính tự nhiên như (Hình 2.4) Ta thấy khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ cũng giảm ứng với phụ tải nhất định Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ nhỏ hơn tốc độ định mức và hạn chế dòng điện khởi động, mômen khởi động

c Ảnh hưởng của từ thông

ω0ω

(I)M

m

®U1U

2U3U

4U

01

0ω

cM0

02

03

04

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

U K

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi

từ thông giảm thì ox tăng, còn  sẽ giảm Ta có họ đặc tính cơ với ox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông

Ta thấy khi thay đổi từ thông, dòng điện ngắn mạch: const

R

U I

u

đm

Mô men ngắn mạch: Mnm= KxInm = var

Các đăc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễn trên hình (Hình 2 5a,b) Trên hình vẽ các đường đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ứng với các giá tri từ thông đm > 1 > 2

ω

02ω01ω0ω

1Φ2Φ

cM

)TN(

Φ® m

1 nm

M Mnm

M

2 nm M

nmI

2Φ

)

®m(ΦTN

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

Với dạng mômen tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm

từ thông tốc độ động cơ tăng lên lớn hơn tốc độ định mức (xem hình 2.5b) Ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ cơ bản

I

0

0

®M

M

0ω

Hình 2.6 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện một chiều kích từ

độc lập Điểm thứ nhất (Iư = 0,  = o)

o = Uđm/Kđm , Kđm=

đm

u đm

U

ω



Điểm thứ hai ( I = Iđm,  = đm) đm= nđm/9,55 (rad/s)

Đặc tính cơ tự nhiên trên hình (Hình 2.6b)

u R đm I đm

K

R R I U

f u đm đm

R I

R R I U

- U

) (

Từ các số liệu trên ta vẽ được các đặc tính biến trở ( Hình 2.7a,b)

Hình 2.7 Đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở phụ

(a) Đặc tính cơ điện và (b) đặc tính cơ Thông thường giá trị điện trở phần ứng Ru không ghi trên nhãn máy Do vậy ta có thể tính gần đúng giá trị Ru Một phương pháp tính gần đúng là dựa vào giá trị hiệu suất định mức đã biết đm và tính được tổn thất của máy điện ở chế độ định mức Coi gần đúng phần tổn thất điện áp do điện trở phần ứng gây ra bằng một nửa tổn thất Như vậy ta tính gần đúng giá trị điện trở phần ứng là:

Ru = 0,5(1 - đm) Uđm/Iđm (2-16)

* Cách vẽ đặc tính cơ khi giảm từ thông

Khi giảm từ thông đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ không đồng nhất với nhau, do vậy cần phải xét riêng từng loại đặc tính

*Đặc tính cơ điện

Khi giảm từ thông, tốc độ không tải của động cơ tăng tỷ lệ với độ giảm từ thông Còn dòng điện ngắn mạch Inm giữ không đổi Vì vậy khi vẽ đặc tính cơ điện ta cần xác định hai điểm:

Điểm không tải lý tưởng ox, điểm còn lại là dòng điện ngắn mạch Inm

u

đm nm

220 = 0,22

* Tính tốc độ 0: 0 = đm rad s

R U

U

u đ đm

81,5.0,22 -

220

220

55 , 9

1600

I

* Tính tốc độ định mức: đm = =168rad/s

55,9

1600

=55,9

* Tính mô men định mức: Mđm =

1600

55 , 9 10 15 ω

) 62 , 0 22 , 0 ( 5 , 81 220

168

-) (

f u đm đm

R I U

R R I U

=125,6rad/s

* Tính tốc độ nhân tạo khi Rf2 = 1,24 

NT2 = 168

22,0.5,81220

)24,1+22,0(5,81220





= 84rad/s Dựa vào các thông số đã tính toán, ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

100 50

100 126 168

Rad/s

M(N.m) I(A)

Hình 2.9.Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ của động cơ (b)

2.2 4 Khởi động và tính toán điện trở khởi động

a Đặc điểm quá trình khởi động

Từ phương trình đặc tính cơ điện ta có:

I K

R K

kđ

R

U I

Với giá trị dòng điện khởi động này, không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng của động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện Tác hại này còn nghiêm trọng hơn đối với hệ thống cần khởi động, hãm máy nhiều lần trong quá trình làm việc

Để hạn chế dòng điện khởi động ta có thể giảm điện áp nguồn đặt vào phần ứng động cơ (được sử dụng trong những hệ thống có bộ biến đổi điện áp) hoặc nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng ( thường sử dụng khi động cơ được cung cấp điện

áp cố định) Sau đây ta khảo sát phương pháp khởi động dùng các điện trở phụ

b Sơ đồ nối dây và đặc tính khởi động

Giả sử động cơ được khởi động qua ba cấp điện trở, sơ đồ nối dây của động cơ

và đặc tính khởi động trên ( hình 2.10)

Trị số điện trở phụ tổng mắc trong mạch được chọn sao cho khi khởi động ( = 0) thì dòng điện khởi động không vượt quá 2,5 Iđm để bảo đảm an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động Ngoài ra Inm cũng không nên quá nhỏ khiến cho Mnm cũng nhỏ

đi so với mô men cản Mc

1

+

-Rf3 Rf2 Rf1

Rkt

3k 2k 1k CKT

E

Hình 2.10.a) Sơ đồ đấu dây của động cơ khởi động qua 3 cấp điện trở

b) Đặc tính cơ điện khởi động qua 3 cấp điện trở Thông thường

đm

R R

K U



Φω -

Muốn cho quá trình tăng tốc được điều đặn và động cơ có điểm làm việc ổn định trên đặc tính tự nhiên (tốc độ cao) thực hiện cắt dần các điện trở phụ, nhờ các tiếp điểm 1K, 2K, 3K của các công tắc tơ

U

0

Quá trình khởi động động cơ sẽ làm việc trên các đường đặc tính nhân tạo

tương ứng với việc cắt dần các điện trở phụ tại các điểm g, e, c; cuối cùng động cơ làm

việc ổn định tại điểm A trên đặc tính tự nhiên Ở đó dòng điện động cơ bằng dòng tải (Ic)

Muốn xác định trị số điện trở phụ khởi động ta có thể dùng các phương pháp đồ thị hoặc giải tích

c Tính điện trở khởi động bằng phương pháp đồ thị

* Cơ sở của phương pháp

Từ phương trình đặc tính cơ điện:

Φ

R R K

Xét tại cùng một trị số dòng điện ta lập tỷ số:

u R f R u R TN

f R

Đây chính là cơ sở của phương pháp đồ thị

* Các bước tiến hành xây dựng đặc tính khởi động và tính Rf khi khởi động

-Bước 1: Dựa vào các thông số động cơ vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên hình 2.10b -Bước 2: Chọn hai giới hạn chuyển dòng điện khởi động động cơ:

I1  (2 2,5)Iđm (2-22)

I2  (1,1 1,3)Iđm (2-23)

-Bước 3: Lấy giá trị I1, I2 trên trục hoành Từ I1, I2 kẻ hai đường dóng song song

với trục tung cắt đặc tính tự nhiên tại a và b, nối o với h(I1) ta được đặc tính khởi

động đầu tiên; đặc tính này cắt đường dóng I2 tại g.Tại g ta kẻ đường song song với

trục hoành cắt đường dóng I1 tại f Nối o với f ta được đường đặc tính khởi động thứ hai… Cứ tiếp tục như thế tới khi từ c kẻ song song với trục hoành sẽ gặp điểm b Nếu điều kiện này không thoả mãn ta chọn lại I1 hoặc I2 rồi vẽ lại cho tới khi đạt được Ngoài ra đặc tính khởi động còn phải đảm bảo số cấp khởi động đã yêu cầu

 Bước 4

- Xác định các trị số điện trở khởi động:

Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ  trên các đặc tính cơ đã vẽ ứng với một dòng điện, ví dụ với I1 tính Rf của từng đường và từng cấp

- Tính điện trở phụ của từng đường:

Gọi điện trở phụ của đường số 1 là: RI

Gọi điện trở phụ của đường số 2 là: RII

Gọi điện trở phụ của đường số 3 là: RIII

Qua đồ thị ta tính được điện trở phụ ứng với từng đường:

RI = u Ru

ib

bd R

ib if



ib

ib

ih   Tính điện trở phụ của từng cấp:

Trong đó các đoạn thẳng ib, bd, df1, fh được đo trên đồ thị với cùng 1 thước tỷ lệ

d Tính điện trở khởi động bằng phương pháp giải tích

Giả thiết động cơ được khởi động với m cấp điện trở phụ Đặc tính khởi động dốc nhất là đặc tính khởi động thứ (m) ; ví dụ trên đồ thị Hình 2.10b là đặc tính thứ 3 Các đặc tính khởi động tiếp theo là (m - 1), (m - 2)……

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

E - U

Tại điểm f: I1 =

1 - m

m m

®R

E - U

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

1 - m

m 2

1R

R

= I I

Tương tự đối với các cấp tiếp theo ta được :

1 - m

m 2

1R

R

= I

I

=

2 - m

1 - mR

R

= … =

-1R

Rm =  Rm-1 = mRu Theo (2-29) ta thấy:

- Nếu biết số cấp điện trở khởi động m và Rm, Ru ta tính được bội số dòng điện khởi động:

1

m

I R

U R

R

u

đm u

*Khi cho trước cấp điện trở khởi động m, chế độ khởi động bình thường:

- Chọn giới hạn dòng điện chuyển khi khởi động:

I2 = (1,1  1,3)Iđm

-Từ (2-30) hoặc (2-31) thay I1 =  I2 hoặcI*= I*= M* và biến đổi ta sẽ tính được 

 = 1

2 u

*I M

1

= 1

*

* u

-Theo biểu thức (2-33) xác định trị số các cấp điện trở khởi động Rf1, Rf2,……Rfm

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

- Dựa vào các yêu cầu của truyền động và khởi động chọn các giá trị của I1, I2, M1, M2

- Theo biểu thức (2-31) tính 

- Theo biểu thức (2-32) tính số cấp điện trở khởi động m Nếu m tính được không phải

là nguyên thì phải chọn lại I1, M1 hoặc I2, M2và tính lại cho đến khi m là nguyên

- Theo các biểu thức (2-33) xác định trị số điện trở mỗi cấp

(2-33)

2.2 5 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ Trong tất cả các trạng thái hãm, động cơ điều 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, hãm động năng

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

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng Khi hãm tái sinh E> U, động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới So với chế độ động cơ, dòng điện và mômen đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức:

R

Φω - Φω R

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 mô men có giá trị âm

Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư của mặt phẳng toạ độ trên hình 2.11a

U

E I

c

M

0

ω -

M c

Hình 2.11.Đặc tính cơ hãm tái sinh của động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cần trục, khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính nằm ở góc phần tư thứ nhất Khi muốn hạ tải ta phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ Lúc này nếu mô men

do tải trọng sinh ra lớn hơn mô men ma sát trong các bộ phận chuyển động của cơ cấu, động cơ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh Trên hình 2.11b: Khi hạ tải, để hạn chế dòng điện khởi động ta đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng Tốc độ động cơ tăng dần, khi tốc độ đạt tới giá trị o ta cắt điện trở phụ, động cơ tăng tốc trên đường

đặc tính tự nhiên Khi tốc độ vượt quá  > o, mô men điện từ của động cơ đổi dấu trở thành mô men hãm đến điểm A mô men hãm Mh = Mc, tải trọng được hạ với tốc độ ổn định ođ, trong trạng thái hãm tái sinh

Hãm tái sinh cũng xảy ra khi ta điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng và điều chỉnh từ tốc độ cao xuống thấp tương ứng với một phụ tải Mc

nào đó

b Hãm ngược:

Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mô men thế năng quay ngược chiều với mô men điện từ của động cơ Mô men sinh ra bởi động cơ, khi đó chống lại

sự chuyển động của máy sản xuất Có hai trường hợp hãm ngược:

* Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng:

Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với chế 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 hình 2.12.a

Tại đó mô men động cơ sinh ra nhỏ hơn mô men cản nên động cơ giảm tốc độ

nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên Đến điểm c tốc độ bằng không nhưng vì mô men

động cơ nhỏ hơn mô men tải nên dưới tác động của tải trọng, động cơ quay theo chiều

ngược lại Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần Đến điểm d mô men động cơ

cân bằng với mô men cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi ođ, cd là đoạn đặc

ω

n©ng t¶i

ω

Khi hãm ngược vì tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên:

f u f

u

h

R R

K U R

R

E U I



(2-37)

M = KIh (2-38) Như vậy ở đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lưới Động cơ làm việc như máy phát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng

vì vậy tổn thất năng lượng lớn

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 đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải Mc, ta đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điện trở phụ Rf trong mạch phần ứng Động cơ

chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở, tại b mô men đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc Tại c tốc độ bằng không, nếu

ta cắt phần ứng khỏi điện áp lưới thì động cơ sẽ dừng lại , còn nếu vẫn giữ điện áp

nguồn đặt vào động cơ và tại c mô men động cơ lớn hơn mô men cản Mc thì động cơ

sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d Đoạn bc trên hình 2.12c là đặc tính

cd

® oω

0ω-

Hình 2.12.(b.c) Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng

b Sơ đồ đấu dây, c Đặc tính cơ Dòng điện hãm được tính:

f u f

u

h

R R

E U R

R

E U I

Biểu thức (2-39) biểu thị dòng điện hãm Ih có chiều ngược với chiều làm việc ban đầu và dòng điện hãm này có thể khá lớn; do đó điện trở phụ đưa vào phải có giá trị đủ lớn để hạn chế dòng điện hãm ban đầu Ihđ trong phạm vi cho phép:

Ihđ  (2  2,5)Iđm,

và phương trình đặc tính cơ có dạng:

M K

K

U

2 f u

) (

R R -

*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 lưới điện và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn nối vào nguồn như cũ hình 2.13a

Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị hđ nên:

Ehđ = Khđ, (2-42)

và dòng điện hãm ban đầu :

h h

hđ

R R

hđ

R

Φω K - R

E

(2-43) Tương ứng với mô men hãm ban đầu : Mhđ = K  Ihđ < 0 (2-44)

Vậy điện trở hãm cần thiết: u

RktCKT

IhRh

2c1c

2 oω

2 h

M Mh 1

a

1b2b

chiều kích từ độc lập