Bài giảng Truyền động điện

Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất, Đặc biệt trong dây truyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy các hệ truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để dáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và thay đổi đáng kể. Ở nước ta, do yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế, ngày càng xuất hiện nhiều dây truyền sản xuất mới ccó mức độ tự động hoá cao với những hệ truyền động điện hiện đại.

LỜI NÓI ĐẦU

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

Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử tin học, các hệ truyền độngđiện được phát triển và thay đổi đáng kể Ở nước ta, do yêu cầu công nghiệp hoá vàhiện đại hoá nền kinh tế, ngày càng xuất hiện nhiều dây truyền sản xuất mới ccómức độ tự động hoá cao với những hệ truyền động điện hiện đại Để đáp ứng nhucầu dậy và học tốt cho giáo viên và học sinh – sinh viên, bộ môn Điện - Tự độnghoá Trường Cao đẳng Hoá chất đã biên soạn tập tài liệu này với nộ dung như sau:Chương 1: Những khái niệm cơ bản về hệ truyền động điện

Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện

Chương 3: Điều chỉnh tốc độ truyền động điện

Chương 4: Ổn định tốc độ hệ truyền động điện

Chương 5: Tính chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện

Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng chắc không tránhkhỏi hết thiếu sót, rất mong nhận được góp ý của đồng nghiệp và các em học sinh –sinh viên

Tác giả

1

-PHỤ LỤC Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ĐIỆN……… 4

1.1 Cấu trỳc chung và phõn loại hệ truyền động điện (TĐĐ) 4

1.1.1 Khỏi niệm: 4

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện 5

1.2 Đặc tính cơ của truyền hệ động điện 6

1.2.1 Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất 6

1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện 8

1.3.Cỏc trạng thỏi làm việc của hệ truyền động điện 8

1 3.1.Cỏc khỏi niệm chung: 8

1.3.2 Cỏc trạng thỏi làm việc của hệTĐĐ 8

1.3.3 Độ cứng của đặc tính cơ 10

1.3.4 Cỏc tớnh chất của mụ men cản: 10

1.3.5 Sự phù hợp giữa đặc tính cơ của động cơ điện và đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất 11

1.4 Phương trỡnh động học của hệ truyền động điện 11

1.4.1 Chuyển động tịnh tiến: 11

1.4.2 Chuyển động quay 12

1.5 Tớnh quy đổi mụmen cản, lực cản, mụ men quỏn tớnh, khối quỏn tớnh về trục động cơ 13

1.5.1 Tớnh quy đổi mụ men Mc, lực cản Fc về trục động cơ 13

1.5.2 Tớnh quy đổi mụ men quỏn tớnh: 14

Bài tập chương 1 14

Chương 2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ………15

2.1 Khỏi niệm chung 15

2.2 Đặc tớnh cơ của động cơ điện một chiều 15

2.2.1 Động cơ điện một chiều kớch từ độc lập 15

2.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 27

2.2.3 Các trạng thái hãm của động cơ điện một chiều 31

2.3 Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ (KĐB) 37

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 37

2.3.2 Phơng trình đặc tính cơ 38

2.3.3 ảnh hởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ 41

2.3.4 Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB 44

2.3.5 Đảo chiều quay động cơ điện KĐB 47

2.3.6 Các trạng thái hãm của động cơ điện KĐB 47

Bài tập chương 2 51

Chương 3.ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN………53

3.1 Cỏc chỉ tiờu đỏnh giỏ quỏ trỡnh điều chỉnh tốc độ 54

3.1.1 Dải điều chỉnh tốc độ 54

3.1.2 Độ trơn điều chỉnh 54

3.1.4 Tính kinh tế 55

3.1.5 Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải 55

3.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 56

3.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 56

3.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 58

3.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng 59

3.3 Các hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ động cơ điện một chiều 60

3.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F - Đ) 60

3.3.2 Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ) 63

3.3.3 Hệ truyền động T - Đ 64

3.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều 67

3.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto 67

3.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato 68

3.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều 68

3.3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ 70

Chương 4 ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ……… 71

4.1 Khái niệm chung 71

4.2 Nguyên lý điều khiển tự động trong các hệ BĐ- Đ 71

4.2.1 Nguyên lý chung 71

4.2.2 Điều khiển E b theo dòng phần ứng 73

4.2.3 Điều khiển Eb theo điện áp phần ứng 75

4.3.4 Điều chỉnh Eb theo tốc độ động cơ 76

4.3 Nguyên lý điều khiển tự động trong các hệ F – Đ 78

4.3.1 Hệ F – Đ có kích từ nối tiếp 78

4.3.2 Hệ F – Đ có khuếch đại máy điện từ trường ngang 79

4.3.3 Hệ F- Đ có bộ kích từ tiristor 80

4.4 Nguy ên lý điều khiển tự động trong các hệ V- Đ, VT- Đ 80

4.4.1 Hệ V – Đ tự động 80

4.4.2 Hệ VT – Đ tự động 81

Chương5 TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ………83

5.1 Những vấn đề chung 83

5.2 Phát nóng và nguội lạnh động cơ 83

5.3 Các chế độ làm việc của động cơ 84

5.3.1.Chế độ dài hạn: 84

5.3.2 Chế độ ngắn hạn: 84

5.3.3 Chế độ ngắn hạn lặp lại: 84

5.4 Tính chọn công suát động cơ cho hệ truyền động không điều chỉnh tốc độ 85

5.4.1 Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn 85

5.4.2 Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn 86

5.4.3 Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn lặp lại 87

5.5 Tính chọn công suất động cơ cho hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ 88

3

-5.6 Kiểm nghiệm công suất động cơ 89 Bài tập chương 5 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….92

Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG

Về cấu trúc, một hệ thống TĐĐ nói chung bao gồm các khâu:

1 BBĐ: Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều

hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại),biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số

Các BBĐ thường dùng là máy phát điện, hệ máy phát - động cơ (hệ F-Đ),các chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần

2 Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành

điện năng (khi hãm điện)

Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều KĐB ba pha rôto dâyquấn hay lồng sóc; động cơ điện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từbằng nam châm vĩnh cữu; động cơ xoay chiều đồng bộ

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện

3 TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất

hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làmphù hợp về tốc độ, mômen, lực

Để truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đaitruyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ

4 CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và

công nghệ (gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển )

5 ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BBĐ, động

cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực

Khối điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số vàcông nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các rơle, công tắctơ) hay không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn) Một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạchghép nối với các thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, các bộ vi xử lý,PLC

Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi cóthể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang

Một hệ thống TĐĐ không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu nêu trên Tuynhiên, một hệ thống TĐĐ bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính:

- Phần lực: Bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện.

- Phần điều khiển:

Một hệ thống truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi, vàđược gọi là hệ kín khi có phản hồi, nghĩa là giá trị của đại lượng đầu ra được đưatrở lại đầu vào dưới dạng một tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển saocho đại lượng đầu ra đạt giá trị mong muốn

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện

Người ta phân loại các hệ truyền động điện theo nhiều cách khác nhau tùytheo đặc điểm của động cơ điện sử dụng trong hệ, theo mức độ tự động hoá, theođặc điểm hoặc chủng loại thiết bị của bộ biến đổi Từ cách phân loại sẽ hình thànhtên gọi của hệ

a Theo đặc điểm của động cơ điện:

- Truyền động điện một chiều: Dùng động cơ điện một chiều, truyền độngđiện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ vàmômen, nó có chất lượng điều chỉnh tốt

Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, hơnnữa nó đòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do đó trong những trường hợp không cóyêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường chọn động cơ KĐB để thay thế

5

Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều khôngđồng bộ Động cơ KĐB ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vậnhành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha Tuynhiên, trước đây các hệ truyền động động cơ KĐB lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việcđiều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khăn hơn động cơ điện một chiều Trongnhững năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bịbán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không đồng bộ phát triểnmạnh mẽ và được khai thác các ưu điểm của mình, đặc biệt là các hệ có điều khiểntần số Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệtruyền động một chiều

- Truyền động điện đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha.Động cơ điện đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho loại truyền động khôngđiều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW (các máy nén khí,quạt gió, bơm nước, máy nghiền.v.v )

Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng

bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải công suất từvài trăm W (cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển động của taymáy, người máy) đến hàng MW (cho các truyền động máy cán, kéo tàu tốc độcao )

b Theo tính năng điều chỉnh:

- Truyền động không điều chỉnh: Động cơ chỉ quay máy sản xuất với một tốc

độ nhất định

- Truyền có điều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta cótruyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyềnđộng điều chỉnh vị trí

c Theo thiết bị biến đổi:

- Hệ máy phát - động cơ (F-Đ): Động cơ điện một chiều được cấp điện từmột máy phát điện một chiều (bộ biến đổi máy điện)

Thuộc hệ này có hệ máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ - Đ), đó là hệ cóBBĐ là máy điện khuếch đại từ trường ngang

- Hệ chỉnh lưu - động cơ (CL - Đ): Động cơ một chiều được cấp điện từ một

truyền động nhiều động cơ (nếu dùng nhiều động cơ để phối hợp truyền động chomột cơ cấu công tác), truyền động quay và truyền động thẳng,

1.2 Đặc tính cơ của truyền hệ động điện.

1.2.1 Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất

Đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ quay và mômen quay:

Mc là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ ω

Mc0 là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ ω = 0

Mđm là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ định mức ωđm

1: Đặc tính cơ ứng với q = -1

2: Đặc tính cơ ứng với q = 0

3: Đặc tính cơ ứng với q = 1

4: Đặc tính cơ ứng với q = 2

H×nh 1.2 - §Æc tÝnh c¬ cña c¬ cÊu s¶n xuÊt øng víi c¸c trêng

hîp m¸y s¶n xuÊt kh¸c nhau

Ta cã c¸c trêng hîp sè mò q øng víi c¸c trêng hîp t¶i:

7

-1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen củađộng cơ: ω=f(M)

Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhântạo Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ khác nhau thì khác nhau và sẽ đượcphân tích trong chương 2 Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ ω = f(M) của động

cơ điện khi các thông số như điện áp, dòng điện của động cơ là định mức theothông số đã được thiết kế chế tạo và mạch điện của động cơ không nối thêm điệntrở, điện kháng

Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các thông

số điện không đúng định mức hoặc khi mạch điện có nối thêm điện trở, điệnkháng hoặc có sự thay đổi mạch nối

Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặctính cơ điện Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trongmạch động cơ:

ω = f(I) hay n = f(I)

1.3.Các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện

Trong hệ truyền động điện, bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượngđiện cơ Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của truyềnđộng điện

1 3.1.Các khái niệm chung:

a Dòng công suất điện P điện :

Dòng công suất Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều truyền từ nguồnđến động cơ và từ động cơ biến đổi thành công suất cơ Pcơ = Mω cấp cho máy sảnxuất

Ngược lại công suất điện có giá trị âm nếu có chiều từ động cơ về nguồn

b Công suất cơ:

Là công suất trên trục động cơ Công suất cơ có giá trị dương nếu như mômen do động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay, công suất cơ có giá trị âm khi

nó truyền từ máy sản xuất về nguồn và mô men do động cơ sinh ra ngược chiều vớitốc độ quay của động cơ

c Mô men 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 của mô men động cơ

1.3.2 Các trạng thái làm việc của hệTĐĐ.

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

Pd = Pc + ∆P (1.2)

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

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

+ Trạng thái hãm gồm hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng

- Hãm tái sinh Pd < 0, Pc < 0 cơ năng biến thành điện năng trả về lưới

- Hãm ngược Pd > 0, Pc < 0 điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất ∆P

- Hãm động năng Pd = 0, Pc <0 cơ năng biến thành công suất tổn thất ∆P

Trạng thái động cơ và trạng thái hãm Trạng thái hãm và trạng thái động cơđược phân bố trên đặc tính cơ ω(M) ở 4 góc phần tư như sau:

- Ở góc phần tư I, III: Trạng thái động cơ

- Ở góc phần tư II, IV: Trạng thái hãm

9

Khi |β| = ∞ thì đặc tính cơ là nằm ngang và tuyệt đối cứng

Đặc tính cơ có độ cứng β càng lớn thì tốc độ càng ít bị thay đổi khi mômenthay đổi Ở trên hình vẽ, đường đặc tính cơ 1 cứng hơn đường đặc tính cơ 2 nên vớicùng một biến động ∆M thì đặc tính cơ 1 có độ thay đổi tốc độ ∆ω1 nhỏ hơn độthay đổi tốc độ ∆ω2 cho bởi đặc tính cơ 2

1.3.4 Các tính chất của mô men cản:

a Mô men cản có tính phản kháng:

Là loại mô men luôn chống lại chiều chuyển động, nếu chuyển động đổichiều thì mô men cản cũng đảo chiều tác dụng

VD: Mô men ma sát, mô men của cơ cấu ăn dao, mô men trên máy bơm ly tâm

Quy ước chiều âm của mô men cản trùng với chiều dương của tốc độ.Biểudiễn trên mặt phẳng đặc tính cơ như hình 1.5a

b Mô men cản có tính thế năng:

Là loại mô men cản có chiều tác dụng không thay đổi khi chiều chuyển độngthay đổi Nghĩa là đối với chiều chuyển động này nó cản lại thì đối với chiềuchuyển động ngược lại nó sẽ hỗ trợ

Biểu diễn trên mặt phẳng đặc tính như hình 1.5b

1.3.5 Sự phù hợp giữa đặc tính cơ của động cơ điện và đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất

Trong hệ thống TĐĐ, động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp động lực cho cơcấu sản xuất Các cơ cấu sản xuất của mỗi loại máy có các yêu cầu công nghệ vàđặc điểm riêng Máy sản xuất lại có rất nhiều loại, nhiều kiểu với kết cấu rất khácbiệt Động cơ điện cũng vậy, có nhiều loại, nhiều kiểu với các tính năng, đặc điểmriêng

Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối ưuthường là chế độ định mức của động cơ Để một hệ thống TĐĐ làm việc tốt, có hiệu

quả thì giữa động cơ điện và cơ cấu sản xuất phải đảm bảo có một sự phù hợp tươngứng nào đó Việc lựa chọn hệ TĐĐ và chọn động cơ điện đáp ứng đúng các yêu cầucủa cơ cấu sản xuất có ý nghĩa lớn không chỉ về mặt kỹ thuật mà cả về mặt kinh tế

Do vậy, khi thiết kế hệ thống TĐĐ, người ta thường chọn hệ truyền độngcũng như phương pháp điều chỉnh tốc độ sao cho đường đặc tính cơ của động cơcàng gần với đường đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất càng tốt Nếu đảm bảo đượcđiều kiện này, thì động cơ sẽ đáp ứng tốt đòi hỏi của cơ cấu sản xuất khi mômen cảnthay đổi và tổn thất trong quá trình điều chỉnh là nhỏ nhất

1.4 Phương trình động học của hệ truyền động điện.

Khi nghiên cứu một hệ thống TĐĐ, người ta đề cập đến lực cản, mô mencản, mô men quán tính, khối quán tính, tốc độ chuyển động, thời gian chuyển động

Có hai loại chuyển động là chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay

1.4.1 Chuyển động tịnh tiến:

Xét một vật có khối lượng m chuyển động với tốc độ v Khi đó :

Năng lượng tích luỹ dướidạng động năng là:

2

2

v m

A 

Công suất động của vật được xác định theo công thức: Pđộng =

dt

v m d dt

 Pđộng

dt

dv v

m

 (1.3)Mặt khác Pđộng = Pđ/c – Pc, P = F.v (1.4)Thay (1.4) vào (1.3) và chia cả hai vế cho v ta được: Fđ/c – Fc =

dt

dv

m = ma (1.5)Trong các công thức trên: Pđ/c: Công suất của động cơ, Pc: Công suất cản (tải),Fđ/c: Lực của động cơ, Fc: Lực cản và F[N]; m[kg]; a[m/s2]

Công suất động của vật được xác định theo công thức: Pđộng =

dt

J d dt

d

J

2

.  2 ; vì khối qu án t ính không thay đổi theo thời gian nên 0

dt dJ

dt

d

J  (1.8) Trong các công thức trên: Mđ/c Mô men của động cơ, Mc: Mô men cản (tải),M[Nm], ω[rad/s], J[kgm2]

Nếu:

Mđ/c = Mc thì a = 0 suy ra hệ chuyển động đều;

Mđ/c > Mc thì a > 0 suy ra hệ tăng tốc;

Mđ/c < Mc thì a<0 suy ra hệ giảm tốc

1.5 Tính quy đổi mômen cản, lực cản, mô men quán tính, khối quán tính về trục động cơ

Muốn khảo sát quá trình chuyển động của động cơ, ta phải viết phương trìnhchuyển động của hệ thống tại một điểm trên trục động cơ Muốn vậy ta phải quy đổitất cả các tham số của các trục khác về trục động cơ Nguyên tắc của tính toán quyđổi là đảm bảo năng lượng của hệ trước và sau khi quy đổi không thay đổi

Xét một cấu trúc tổng quát của truyền động điện như hình (1.6):

1.5.1 Tính quy đổi mô men Mc, lực cản Fc về trục động cơ.

- Giả sử khi thiết kế người ta đã cho giá trị của mô men tang quay là Mt quahộp giảm tốc có tỷ số truyền là i và hiệu suất là ηi Mô men này sẽ tác động lên trụcđộng cơ có giá trị Mcqđ:

i

cqd i

t t

i M

d t i

c cqd d

cqd t

i

M M



  , i.t

1.5.2 Tính quy đổi mô men quán tính:

Các cặp bánh răng có mô men quán tính J1, J2, , mô men quán tính tangquay Jt, khối lượng quán tính m và mô men quán tính của động cơ Jd đều ảnh hưởngđến tính chất động học của hệ truyền động

Nếu xét điểm khảo sát là đầu trục động cơ và quán tính chung của hệ tạiđiểm này là Jqd Lúc đó phương trình động năng của hệ là:

2

.2

.)2

2

.2

.(2

.2

2 2

2 2 2

2 1 1

2

J J

J J

k d

i

J i

J j

J

)(

về đầu trục động cơ

3) Chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền cho một hệ thống dùng băng tải đểchuyển hàng từ nơi này đến nơi khác cho biết :

F = 1110kg (lực kéo băng tải), vận tốc băng tải vbt = 0,47m/s Băng tải làm việcmột chiều, tải coi như ổn định Tính Moment cản trên đầu trục động cơ Biết rằngnđc = 1400v/phút

Chương 2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1 Khái niệm chung.

Như trong chương 1 đã nêu, quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ gọi

là đặc tính cơ của động cơ: ω = f(M) hoặc n = f(M)

Quan hệ giữa tốc độ và mô men của máy sản xuất gợi là đặc tính cơ của máysản xuất: ωc= f(MC), hoặc nC = f(MC)

Các đặc tính cơ trên có thể biểu diễn ở dạng hàm thuận hay hàm ngược lại

Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặctính cơ điện Đặc tính cơ điện biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trongmạch động cơ ω= f(I), hay n = f(I)

Trong nhiều trường hợp để đơn giản trong tính toán hoặc dễ dàng so sánh,đánh giá các chế độ làm việc của hệ truyền động điện, người ta có thể dùng hệ đơn

vị tương đối

Muốn biểu diễn một đại lượng 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 chọnlà: Udm, Idm, Mdm, ωdm, Φdm, Rcb

Với đại lượng tương đối ta dùng ký hiệu: “*” Ví dụ điện áp tương đối U*, Mô mentương đối M*

2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

2.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Như chúng ta đã biết trong vật lý, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn vàcho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một từ lực vào dòng điện(chính là vào dây dẫn) và làm dây dẫn chuyển động Chiều của từ lực xác định theoquy tắc bàn tay trái Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riênghoạt động theo nguyên tắc này

15

-Trên các sơ đồ điện, động cơ điện một chiều được kí hiệu như hình 2.1 vàhình 2.2

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trườngcủa cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiềungược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2.1 và hình 2.2, có thể viết phương trình cânbằng điện áp của mạch phần ứng (rôto) như sau:

Uư = Eư + (Rư + Rp).Iư (2.1)Trong đó:

rư - Điện trở cuộn dây phần ứng

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

Ikt

E

Rkt

Rf I

 là hệ số kết cấu của động cơ

 - Từ thông qua mỗi cực từ

p - Số đôi cực từ chính

N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Hoặc ta có thể viết:

Eư = Ke φ.n (2.4)

55,960

, , u,

f u

K

R R K

,

, ,

.)

K

R R K

17

-Tốc độ ω0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi không có lực cản nào cả.

Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vìkhông bao giờ xảy ra trường hợp MC = 0

Khi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ

ω0 đến ωđm.

Điểm A(Mđm,ωđm) gọi là điểm định mức

Rõ ràng đường đặc tính cơ có thể vẽ được từ 2 điểm ω0 và A Điểm cắt củađặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình(2.7):

Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch Đó làgiá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ

mà tốc độ bằng 0 Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đangchạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được Dòng điện Inm nàylớn và thường bằng:

Inm = (10 - 20)Iđm

Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài.

b Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ.

Từ phương trình (2.7) ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từthông, điện áp phần ứng, điện trở phần ứng

+ Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thiết Uư = Udm = const, Φ = Φdm = const khi thay đổi điện trở phần ứng ta có:

K

U dm

dm R R

K M

u

dm R

+ Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả thiết Rư = const, Φ = Φđm = const khi thay đổi điện áp phần ứng ta có:





dm

x K

-Hình 2.6 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều

kích từ độc lập khi giảm điện áp phần ứng

+ Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết Uư= Uđm = const, Rư = const khi thay đổi từ thông ta có:

K M





Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nênkhi từ thông giảm thì ω0x tăng, còn β sẽ giảm Ta được một họ đặc tính cơ như hình2.7

Với đặc tính cơ có dạng như hình 2.7 thì khi giảm từ thông sẽ rất phù hợpcho phụ tải có dạng tỉ lệ nghịch với tốc độ

c Cách vẽ đặc tính cơ.

+ Cách vẽ đặc tính tự nhiên

Hình 2.7 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều

kích từ độc lập khi giảm từ thông kích từ

Hình 2.9 Đặc tính nhân tạo - biến trở

Vì đặc tính của động cơ lá đường thẳng nên khi vẽ ta chỉ cần xác định 2 điểmcủa đường thẳng Ta chọn điểm không tải lý tưởng và điểm định mức

- Điểm không tải lý tưởng có toạ độ là: (M = 0,  = 0)

dm

u dm dm dm

R I U K

dm

dm dm

P M



 ;

55.9

dm dm

n



 (2.14)

+ Cách vẽ đặc tính cơ nhân tạo:

* Đặc tính nhân tạo “biến trở”: (Uư= Uđm,  = đm)

- Phương trình:

dm

f u dm

K

R R K

, ,

(2.15)+ Điểm không tải lý tưởng (0, 0)

dm

f u dm

dm

K

R R K

U

2)(

-Hình 2.10 Đặc tính nhân tạo - giảm áp

* Đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng Uư:

U

.)

K

U



0

Qua điểm không tải lý tưởng kẻ đường song song với đặc tính tự nhiên

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

- Phương trình:

x

u x

K

R K

, ,

(2.19)

Điểm không tải ứng với từ thông  (0, 0x) với

x

u x

u

K

R K

U

.)

, ,

d Khởi động và cách tính điện trở khởi động:

Nếu khởi động động cơ ĐMđl bằng phương pháp đóng trực tiếp thì ban đầutốc độ động cơ còn bằng 0 nên dòng khởi động ban đầu rất lớn (Inm = Uđm/Rư ≈ 10đến 20Iđm)

Như vậy nó đốt nóng mạnh động cơ và gây sụt áp lưới điện Hoặc làm cho

sự chuyển mạch khó khăn, hoặc mômen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lựcđộng làm hệ truyền động bị giật, lắc, không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thểgây nguy hiểm như: gãy trục, vỡ bánh răng, đứt cáp, đứt xích Tình trạng càng xấuhơn nếu như hệ TĐĐ thường xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thườngxuyên như ở máy cán đảo chiều, cần trục, thang máy

Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn: Ikđbđ = Inm ≤ Icp = 2,5Iđm

Muốn thế, người ta thường đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắtđầu khởi động như sơ đồ hình 2.12a, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ

f u

dm nm

R R

U I





Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ ω tăng dần, sức điện động của động

cơ Eư=K.φ.ω cũng tăng dần và dòng điện động cơ bị giảm:

Nếu cứ giữ nguyên Rp trong mạch phần ứng thì khi tốc độ tăng theođường đặc tính 1 tới điểm B, mômen động cơ giảm từ mômen Mmm xuốngbằng mômen cản Mc, động cơ sẽ quay ổn định với tốc độ thấp ωb Do vậy, khimômen giảm đi một mức nào đó (chẳng hạn M2) thì phải cắt dần điện trở phụ

để động cơ tiếp tục quá trình mở máy cho đến điểm làm việc A trên đường đặctính tự nhiên

Khi bắt đầu cấp điện cho động cơ với toàn bộ điện trở khởi động,mômen ban đầu của động cơ sẽ có giá trị là Mmm

Mômen này lớn hơn mômen cản tĩnh Mc do đó động cơ bắt đầu được giatốc

Tốc độ càng tăng lên thì mômen động cơ càng giảm xuống theo đườngcong ab Trong quá trình đó mômen động (chênh lệch giữa mômen động cơ vàmômen cản: ∆M = MĐ - MC) giảm dần nên hiệu quả gia tốc cũng giảm theo.Đến một tốc độ nào đó, ứng với điểm b, tiếp điểm 1G đóng lại, một đoạn điệntrở khởi động bị nối tắt Và ngay tại tốc độ đó, động cơ chuyển sang làm việc ởđiểm c trên đường đặc tính cơ thứ 2 Mômen động cơ lại tăng lên, gia tốc lớnhơn và sau đó gia tốc lại giảm dần khi tốc độ tăng, mômen động cơ giảm dầntheo đường cong cd Tiếp theo quá trình lại xảy ra tương tự như vậy: sau khiđóng tiếp điểm 2G mômen động cơ giảm theo đường ef và đến điểm f tiếpđiểm 3G đóng lại thì động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên

Để xác định trị số điện trở phụ khởi động ta dùng phương pháp giải tích:Giả thiết động cơ được khởi động với m cấp điện trở phụ

Đặc tính khởi động thấp nhất là đặc tính khởi động thứ (m), các đặc tínhkhởi 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 phầnứng với mỗi đặc tính là:

R1 = Rư + Rf1; R2 = Rư + Rf1 + Rf2; Rm = Rư + Rf1 + Rf2 + …+ Rfm (2.24)

Tại điểm g trên đặc tính khởi động ta có:

m

m dm

R

E U

R

E U

I (2.26)Trong đó Em là sđđ của động cơ ứng với tốc độ m , lập tỷ số I1/I2 ta có:

1 1

2

u m

m m

m

R

R R

u

m

R I

U R

Trị số từng cấp điện trở khởi động tính như sau:

Rf1 = R1- Rư = Rư – Rư = (-1)Rư

Rf2 = R2- R1 = 2 Rư – Rư = (-1)Rư

………

Rfm = Rm- Rm-1 = mRư – m-1Rư = m-1(-1)Rư (2.31)Như vậy xác định điện trở khởi động bằng phương pháp giải tích có thể tiếnhành trong các trường hợp sau đây:

+ Khi cho trước số cấp điện trở khởi động m và yêu cầu khởi động nhanh:

- Chọn giới hạn dòng điện khởi động I1 là cực đại cho phép I1 = 2.5 Idm vàtính:

25

- Theo biểu thức (2.29) tính được 

- Theo biểu thức (2.31) tính được trị số các cấp điện trở khởi động cầnthiết

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

- Chọn giới hạn dòng điện chuyển khi khởi động:

Bài

t ập 2 Dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhận xét về dạng đặc tính của động cơđiện một chiều kích từ song song Số liệu cho trước: Động cơ loại làm việc dàihạn, cấp điện áp 220V, công suất định mức 4,4kW; tốc độ định mức 1500vòng/phút; hiệu suất định mức 0,85

e Đảo chiều quay động cơ.

Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn taytrái Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều ngược lại.Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều ta có thể thực hiện một

trong hai cách:

- Hoặc đảo chiều từ thông (bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ)

- Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngược là đối xứng nhau quagốc tọa độ

Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông cócông suất nhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ

số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên Ngoài ra, dùng phương pháp đảochiều từ thông thì từ thông qua trị số 0 có thể làm tốc độ động cơ tăng quá cao

2.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

a Phương trình đặc tính cơ

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp vớicuộn dây phần ứng như sơ đồ nguyên lý ở hình 2.15

27

-Hình 2.13 Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo

chiều từ thông hoặc khi đảo chiều dòng điện phần ứng

Hình 2.14 - Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều quay

Hình 2.15 - Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt = Iưnên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít Từ thông củađộng cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào tải: φ = K'.Iư

Trong đó K' là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ Phươngtrình trên chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng điện Iư < (0,8 -0,9)Iđm tiếp tục tăng Iư thì tốc độ tăng từ thông φ chậm hơn tốc độ tăng Iư rồi sau đókhi tải lớn (Iư > Iđm) thì có thể coi φ=const vì mạch từ đã bị bão hòa

Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung:

dòng kích từ) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là một đườnghyperbol.

Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ởvùng tải định mức Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hypecbol bậc 2

và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vìmạch từ đã bảo hòa (φ = const)

Khi MC = 0 (Iư = 0), theo phương trình đặc tính cơ (2.33) thì trị số ω sẽ vôcùng lớn Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn

có từ dư (φdư ≠ 0) nên khi không tải MC ≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là:

Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư φdư nhỏ nên ω0 cũng lớn hơnnhiều so với trị số định mức (5 - 6)ωđm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ TĐĐ

Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ khôngtải hoặc rơi vào tình trạng không tải Không dùng động cơ một chiều kích từ nốitiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát Thông thường, tải tối thiểu của động

cơ là khoảng (10 - 20)% định mức Chỉ những động cơ công suất rất nhỏ (vài chụcWatt) mới có thể cho phép chạy không tải

b.Cách vẽ đặc tính cơ:

Do quan h ệ  = f(I ư) là phi tuyến nên để vẽ các đặc tính cơ của động cơ người ta

sử dụng phương pháp đồ thị giải tích dựa vào các đường cong thực nghiệm

Gọi các quan hệ * f(I*),M* f(I*)là các đặc tính vạn năng và được xácđịnh bằng thực nghiệm, các đặc tính này được biểu diễn trên hình 2.18

29

-0.4

0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2  * M *

c Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ

Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là dòngđiện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp

Phương trình đặc tính cơ ω = f(M) (2.13) của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp cho thấy đặc tích cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch phầnứng và cũng là mạch kích từ)

Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ Rưf = 0 Các đặc tính cơ nhân tạoứng với Rưf ≠ 0 Đặc tính càng thấp khi Rưf càng lớn

d Mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Lúc mở máy động cơ, phải đưa thêm điện trở mở máy vào mạch động cơ để hạn chếdòng điện mở máy không được vượt quá giới hạn 2,5Iđm Trong quá trình động cơtăng tốc, phải cắt dần điện trở mở máy và khi kết thúc quá trình mở máy, động cơ sẽlàm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở mở máy

30 Hình 2.19 - Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc tính cơ động cơ điện

-một chiều kích từ nối tiếp

Khi động cơ được cấp điện, các tiếp điểm K1 và K2 mở để nối các điện trở R1

và R2 vào mạch động cơ Dòng điện qua động cơ được hạn chế trong giới hạn chophép ứng với mômen mở máy: Mmm = M1 = (2 - 2,5)Mđm

Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b Cùng vớiquá trình tăng tốc, mômen động cơ giảm dần Tới điểm b, tốc độ động cơ là ω2 vàmômen là M2=(1,1-1,3)Mđm thì tiếp điểm K2 đóng, cắt điện trở mở máy R2 ra khỏimạch động cơ Động cơ chuyển từ đặc tính cơ 2 sang làm việc tại điểm c trên đặctính cơ 1 Thời gian chuyển đặc tính vô cùng ngắn nên tốc độ động cơ coi như giữnguyên Đoạn bc song song với trục hoành OM Lúc này mômen động cơ lại tăng từ

M2 lên M1, động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo đặc tính cơ 1 Khi mômen động cơgiảm xuống còn M2 (ứng với tốc độ ω1) thì điện trở mở máy R1 còn lại được cắt nốt

ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm K1 Động cơ chuyển sang làm việc tạiđiểm e trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăng tốc theo đặc tính này tới làm việc tạiđiểm A Tại đây, mômen động cơ MĐ cân bằng với mômen cản MC nên động cơ sẽquay với tốc độ ổn định ωA

e Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Cũng như động cơ điện một chiều kích từ song song, động cơ một chiều kích từ nốitiếp sẽ đảo chiều quay khi đảo chiều dòng điện phần ứng

31 Hình 2.21 - Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

-2.2.3 Các trạng thái hãm của động cơ điện một chiều

Hãm một hệ TĐĐ nhằm đạt được một trong các mục đích sau:

Để hãm một hệ TĐĐ, có thể bằng hai phương pháp: Hãm theo phương pháp

cơ hoặc hãm theo phương pháp điện (hãm điện) Hãm theo phương pháp cơ là dùngphanh cơ hoặc điện - cơ Phanh điện - cơ thường đặt ở cổ trục động cơ và có nhiềukiểu, nhiều loại nhưng nguyên tắc hoạt động của chúng tương tự nhau Đó là khicấp điện cho động cơ chạy thì cuộn phanh cũng được cấp điện và cổ trục động cơđược nới lỏng Khi cắt điện để động cơ dừng thì cuộn phanh cũng mất điện và cổtrục động cơ bị ép chặt Với cách hãm bằng phương pháp cơ thì khó đạt được cả 4mục đích nêu trên (2 mục đích sau cùng khó thực hiện)

Trạng thái hãm điện của động cơ là trạng thái động cơ sinh ra mômen điện từngược với chiều quay của rôto

Phương pháp hãm điện tỏ ra rất có hiệu lực trong tất cả các mục đích nêutrên Khi hãm điện, trục động cơ không bị phần tử nào tỳ vào cả mà chỉ có mômenđiện từ tác dụng vào rôto động cơ để cản lại chuyển động quay mà rôto đang có

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có 3 trạng thái hãm điện:

- Hãm tái sinh (Hãm có hoàn trả năng lượng về lưới)

- Hãm ngược

- Hãm động năng

Đặc điểm chung của cả 3 trạng thái hãm điện là động cơ đều làm việc ở chế độmáy phát, biến cơ năng mà hệ TĐĐ đang có qua động cơ thành điện năng để hoặchoàn trả về lưới (hãm tái sinh) hoặc tiêu thụ thành dạng nhiệt trên điện trở hãm(hãm ngược, hãm động năng) Mômen để quay động cơ ở chế độ máy phát sẽ làmômen hãm đối với hệ TĐĐ

a Hãm tái sinh.

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lýtưởng (ω>ω0)

Khi hãm tái sinh: Eư > Uư, động cơ làm việc như một máy phát song song vớilưới và trả năng lượng về nguồn, lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều

so với chế độ động cơ:

(2.34)

Trong trạng thái hãm tái sinh, tốc độ của động cơ càng tăng trên tốc độ cơbản, trị số mômen hãm càng lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mômen phụ tảicủa cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ ωôđ > ω0

Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II vàthứ IV của mặt phẳng tọa độ

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất đượcđưa trả về lưới điện có giá trị P = (E - U)I Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vìđộng cơ sinh ra điện năng hữu ích

Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy, thì khi nâng tải, động

cơ truyền động thường làm việc ở chế độ động cơ (điểm A) Khi hạ tải, ta đảo chiềuđiện áp phần ứng đặt vào động cơ Nếu mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen

ma sát trong các bộ phận chuyển động của cơ cấu, động cơ sẽ làm việc ở chế độhãm tái sinh

33 Hình 2.22 - Đặc tính cơ hãm tái sinh động cơ điện một

-chiều kích từ độc lập

Để hạn chế dòng khởi động ta đóng thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng Tốc độđộng cơ tăng dần lên, khi tốc độ động cơ gần đạt tới giá trị ω0 ta cắt điện trở phụ(điểm c), động cơ tăng tốc độ trên đường đặc tính tự nhiên (đoạn cB) Khi tốc độvượt quá ω > ω0 thì mômen điện từ của động cơ đổi dấu trở thành mômen hãm.Đến điểm B thì mômen Mh = MC, tải trọng được hạ với tốc độ ổn định ωôđ trongtrạng thái hãm tái sinh.

b Hãm ngược

Hãm ngược là trạng thái của động cơ khi mômen hãm của động cơ ngược chiều vớitốc độ quay (M↑↓ω) Mômen hãm sinh ra bởi động cơ khi đó chống lại chiều quaycủa cơ cấu sản xuất Hãm ngược có hai trường hợp:

* Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng, với phụ tải thế năng

Động cơ đang làm việc ở điểm a, ta đưa thêm Rp lớn vào mạch phần ứng thì động

cơ sẽ chuyển sang điểm b trên đặc tính biến trở Tại điểm b mômen do động cơ sinh

ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên.Đến điểm c vì mômen động cơ nhỏ hơn mômen tải nên dưới tác động của tải trọng,động cơ quay theo chiều ngược lại Tải trọng được hạ xuông với tốc độ tăng dần.Đến điểm d mômen động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ làm việc ổn định với

Hình 2.23 - Đặc tính hãm tái sinh khi hạ tải trọng của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

tốc độ hạ không đổi ωôđ Đoạn cd là đoạn hãm ngược, động cơ làm việc như mộtmáy phát nối tiếp với lưới điện, lúc này sức điện động của động cơ đảo dấu nên:

(2.35)

* Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng:

Động cơ đang làm việc ở điểm a, ta đổi chiều điện áp phần ứng (vì dòng đảochiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) thì động cơ sẽ chuyển sangđiểm b, tại điểm b mômen đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độgiảm theo đoạn bc Tại c nếu ta cắt động cơ khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽ dừnglại, còn nếu không thì tại điểm c mômen động cơ lớn hơn mômen cản nên động cơ

sẽ quay ngược lại và sẽ làm việc xác lập ở d nếu phụ tải ma sát Đoạn bc là đoạnhãm ngược, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ:

Hình 2.19 - Đặc tính cơ hãm ngược của ĐMđl

trường hợp đưa điệntrở phụ vào mạch phần ứng

Hình 2.19 - Đặc tính cơ hãm ngược của ĐMđl

trường hợp đưa điệntrở phụ vào mạch phần ứng

Hình 2.19 - Đặc tính cơ hãm ngược của ĐMđl

trường hợp đưa điệntrở phụ vào mạch phần ứng

(2.37)

c Hãm động năng

* Hãm động năng kích từ độc lập:

Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm a), thực hiện cắt phần ứng động

cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trongđộng cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát biến cơ năngthành nhiệt năng trên điện trở hãm và điện trở phần ứng

Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng:

(2.38)

Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu là ωhđ nên sức điện động ban đầu,dòng hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu:

(2.39) Hình 2.25 - Đặc tính hãm ngược ĐMđl trường hợp đảo chiều điện áp phần ứng

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mômen cản là phản khángthì động cơ sẽ dừng hẵn (các đoạn b10 hoặc b20), còn nếu mômen cản là thế năngthì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại (0c1 hoặc 0c2).

* Hãm động năng tự kích từ:

Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì không thểthực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn Muốn khắc phụcnhược điểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích từ

Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm a), thực hiện cắt cả phần ứng vàkích từ của động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, do độngnăng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máyphát tự kích biến cơ năng thành nhiệt năng trên các điện trở

Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ:

(2.40)

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng tự kích từ ta thấy rằng trong quá trình hãm,tốc độ giảm dần và dòng kích từ cũng giảm dần, do đó từ thông của động cơ cũnggiảm dần và là hàm của tốc độ, vì vậy các đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từgiống như đặc tính không tải của máy phát tự kích từ

So với phương pháp hãm ngược, hãm động năng có hiệu quả hơn khi có cùng tốc

độ hãm ban đầu, nhất là tốn ít năng lượng hơn

37 Hình 2.26 - Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập của ĐMđl

-Hình 2.27 - Sơ đồ hãm động năng tự kích của ĐMđl

2.3 Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ (KĐB)

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện 3 pha vào 3 cuộn dây đặt lệchnhau 1200 trong không gian thì từ trường tổng do 3 cuộn dây tạo ra là một từtrường quay Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trườngquay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứngtrong các thanh dẫn Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong cácthanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải

Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này một từ lực có chiều xácđịnh theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra một mômen làm quay lồng trụ và các thanhdẫn theo chiều quay của từ trường quay Để mômen đều hơn, các thanh dẫn thườngđược đặt hơi chéo

Tốc độ quay của lồng trụ luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay Nếulồng trụ quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ không quétqua các thanh dẫn nữa nên không có dòng điện cảm ứng và mômen quay cũngkhông còn Khi đó do mômen cản, lồng trụ sẽ quay chậm lại hơn từ trường quay vàcác thanh dẵn lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại

có mômen quay làm lồng trụ tiếp tục quay nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn của từtrường quay

Động cơ làm việc trên nguyên tắc này nên được gọi là không đồng bộ (haycòn gọi là động cơ dị bộ)

Động cơ có nguyên lý cấu tạo như đã xét ở trên với rotor lồng trụ ghép từcác thanh dẫn gọi là động cơ rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch)

Nếu phần ứng là 3 cuộn dây nối theo hình sao Y, còn 3 đầu cuộn dây còn lạinối với 3 vòng trượt để qua 3 chổi than nối với điện trở mạch ngoài thì rotor gọi là

rotor dây quấn Động cơ gọi là động cơ rotor dây quấn Cuộn cảm (cuộn kích từ) ởstator của động cơ có thể đấu theo hình sao Y hay theo hình tam giác ∆.

Các đại lượng liên quan đến cuộn cảm (mạch stator) có chỉ số 1 như: U1, I1, R1 vàcác đại lượng liên quan đến mạch phần ứng (mạch Rôto) có chỉ số 2 như: U2, I2, R2,f2

Tốc độ quay của từ trường quay phụ thuộc vào số đôi cực từ p, số đôi cực từcàng lớn thì tốc độ quay của từ trường càng bị giảm Với cuộn cảm tạo ra từ trường

có p đôi cực từ thì tốc độ quay giảm p lần là:

(2.41)

hoặc (2.42)

ω0 là tốc độ lớn nhất mà rotor có thể đạt được nếu không có lực cản nào Tốc độnày gọi là tốc độ đồng bộ hay là tốc độ không tải lý tưởng Tần số lưới điện xoaychiều ở Việt Nam là 50Hz và vì p là số nguyên nên tốc độ đồng bộ thường là 3000,

1500, 1000, 750, 600, 500 (vòng/phút)

Tốc độ không đồng bộ n2 của rotor nhỏ hơn tốc độ đồng bộ n0 và sự sai lệch nàyđược đánh giá qua một đại lượng gọi là độ trượt s:

(2.43)

Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor cũng là dòng xoay chiều với tần sốxác định qua tốc độ tương đối của rotor đối với từ trường quay:

(2.44)Các động cơ xoay chiều KĐB có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, vận hành tin cậyhơn so với động cơ một chiều nên được sử dụng rộng rãi hơn

Khi cuộn dây stator được cấp điện với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha

mà giữ yên rotor (không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện một sứcđiện động E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp Hệ số quy đổi sức điện động là:

Trên sơ đồ thay thế ở hình 2.28, các đại lượng khác là:

I0 - Dòng điện từ hóa của động cơ

Rm, Xm - Điện trở, điện kháng mạch từ hóa

I1 - Dòng điện cuộn dây stator

R1, X1 - Điện trở, điện kháng cuộn dây stator

Dòng điện rotor quy đổi về stator có thể tính từ sơ đồ thay thế:

(2.48)